La dalia negra teje una historia de obsesión, amor, corrupción, avaricia y depravación alrededor de la verdadera historia del brutal asesinato de una actriz novata que conmocionó y fascinó a Estados Unidos en 1947 y que aún permanece sin resolver. Dos detectives ex boxeadores, Lee Blanchard y Bucky Bleichert, son los encargados de investigar la muerte de la ambiciosa Betty Ann Short, actriz de películas de serie B conocida como "La Dalia Negra", en un ataque tan espeluznante que se prohibió la publicación de las imágenes del asesinato.

Mientras la creciente preocupación de Blanchard por la investigación pone en peligro su relación con Kay, su compañero Bleichert se siente atraído por la enigmática Madeleine Linscott, perteneciente a una de las familias más destacadas de la ciudad que por casualidad tiene un vínculo sospechoso con la víctima.