Betty (Naomi Watts), seorang calon aktris yang ceria dan berbakat tiba di Los Angeles dan menemukan seorang perempuan misterius Rita (Laura Harring) - yang mengalami amnesia akibat kecelakaan yang terjadi di Mulholland Drive. Betty kemudian membantu Rita untuk mencari tahu siapa dirinya dan apa yang terjadi.
Lee Harker, agen muda FBI harus mengungkap serangkaian petunjuk gaib untuk ia pecahkan sebelum Longlegs, seorang pembunuh berantai yang penuh dengan misteri, merenggut nyawa korban selanjutnya.