En Los Ángeles, en 1948, Julius «Jake» Berman contrata al investigador privado J. J. «Jake» Gittes para que atrape a su esposa, Kitty, en el acto de cometer adulterio. Durante la operación, Berman mata a su rival amoroso, Mark Bodine, que resulta ser su socio en una empresa inmobiliaria. Gittes, sin saberlo, se encuentra de repente bajo escrutinio por su papel en el posible crimen, todo ello en torno a una grabación telefónica que captó el encuentro amoroso ilícito, el enfrentamiento y el asesinato de Bodine. Se cuestiona si Berman sabía y mató a su compañero para arrebatarle el control de la sociedad, convirtiéndolo en un asesinato, o fue un acto de celos, que puede calificarse como «locura temporal» y permitirse como defensa ante una acusación de asesinato.
Gittes debe convencer al capitán de la policía de Los Ángeles, Escobar, de que no debe ser acusado como cómplice. Extrañamente, a Berman no parece preocuparle la posibilidad de ser acusado de asesinato. Gittes tiene la grabación, que tanto el abogado de Berman, Cotton Weinberger, como su amigo mafioso Mickey Nice, quieren, encerrada en una caja fuerte en su oficina de Los Ángeles, que está siendo sacudida por los terremotos. La urbanización de Berman en el Valle también está experimentando actividades sísmicas. Gittes está a punto de morir en una explosión de gas, despertando para encontrar a Berman y su esposa, Kitty, de pie sobre él.
Gittes tiene una confrontación, y más tarde un encuentro sexual, con Lilian Bodine, la viuda enojada del hombre muerto. Se le presentan pruebas de que Earl Rawley, un rico y despiadado petrolero, puede estar perforando bajo la urbanización de Bodine y Berman, aunque Rawley lo ha negado. Esto le lleva a tener que determinar quién es el propietario de los derechos minerales del terreno. Gittes descubre que los derechos pertenecen a una tal Katherine Mulwray, hija de Evelyn Mulwray, su interés amoroso de once años antes. También descubre que las transferencias de las escrituras se ejecutaron de tal manera que intentan ocultar la propiedad anterior de Katherine Mulwray y su continua reclamación de los derechos minerales. Además, también descubre que Noah Cross ya había muerto y que Katherine había escapado de sus garras.
Los agentes de Gittes han visto a Berman en compañía de una mujer rubia junto con Mickey, y un guardaespaldas. Con un poco de investigación Gittes determina que la mujer es una oncóloga y está tratando a Berman de un cáncer en alguna parte de la cintura. Gittes se enfrenta a Berman con este conocimiento y consigue una confesión completa. Por el camino, Gittes descubre que Berman no va a sobrevivir y que todo el montaje era para asegurarse de que Kitty estuviera protegida una vez que él muriera.
Para conseguir que Kitty hable con él, Gittes debe demostrar que Berman se propuso matar a su compañero. Una vez conseguido, Kitty acepta reunirse con Gittes y contarle lo que sabe sobre Berman. En el proceso de discutir las posibles motivaciones de Berman, los derechos del mineral y el posible paradero de Katherine, se revela que Kitty y Katherine son la misma persona. Kitty nunca había sospechado que su marido se está muriendo.
Con el fin de demostrar la premeditación, la pasión, y tal vez incluso las conexiones con una mujer desaparecida desde hace tiempo, aparentemente todo el mundo quiere la grabación, que Gittes se niega a entregar hasta el día de la investigación. De alguna manera, Gittes edita la grabación, dejando el nombre de Katherine fuera de los diálogos, los disparos y las secuelas del asesinato de Bodine. Esto hace que la investigación sea una reunión corta y satisfactoria en la que el juez no tiene motivos para sospechar del asesinato, y Berman queda libre de cargos penales. Confrontado con el conocimiento que tiene Gittes de su enfermedad terminal, Berman, sabiendo que la casa modelo en la que se encuentra está llena de gas natural, convence a Gittes y a Mickey de que le dejen solo en la casa para que pueda «fumar». No quiere que la autopsia interfiera con la herencia de Kitty. Mientras se alejan, la casa explota.
La historia termina con Kitty y Gittes en su despacho. Hablan de arrepentimientos, y Kitty besa a Gittes, que rechaza sus avances, diciendo «Ese es tu problema, chico. No sabes a quién engañas». Ella se va, diciéndole que «piense en mí de vez en cuando». Gittes le dice «Nunca se va».