Une énigmatique femme aux cheveux noirs (Laura Elena Harring) émerge d'un accident avec la sacoche remplie de billets et la tête vide de tout souvenir. Pendant ce temps, Betty Elms (Naomi Watts), une jeune ambitieuse de Deep River, Ontario débarque à Los Angeles à la recherche de la gloire. Arrivée à l'appartement de sa tante, Betty découvre la ténébreuse amnésique et, intriguée par la situation, lui offre son aide. Commence alors pour les deux femmes une quête de la vérité à travers les macabres rues éclaboussées de soleil de Los Angeles. Elles y croiseront des maffiosi, un jeune réalisateur (Justin Théroux), un producteur à petite tête et un personnage étrange surnommé Le cowboy, tous apparaissant et disparaissant jusqu'à ce que s'estompe progressivement la distinction entre la réalité et le rêve.