Em Los Angeles em 1948, Julius “Jake” Berman contrata o investigador privado J. J. “Jake” Gittes para apanhar a sua esposa, Kitty, no acto de cometer adultério. Durante a picada, Berman mata seu rival amoroso, Mark Bodine, que por acaso é seu parceiro de negócios em uma empresa de incorporação imobiliária. Gittes, sem saber disso, de repente se vê sob escrutínio por seu papel no possível crime, tudo isso centrado em torno de uma gravação de arame que captou o encontro amoroso ilícito, o confronto e a morte de Bodine. Isso põe em dúvida se Berman sabia e matou o seu parceiro para obter o controle da parceria, tornando-a um assassinato, ou foi um ato de ciúme, que pode ser qualificado como “insanidade temporária” e ser permitido como defesa a uma acusação de assassinato.
Gittes deve convencer o capitão da LAPD Escobar de que ele não deve ser acusado como cúmplice. Estranhamente, Berman parece não estar preocupado com a possibilidade de ser acusado de assassinato. Gittes tem a gravação, que o advogado de Berman, Cotton Weinberger, e o amigo mafioso Mickey Nice, ambos querem, trancados em um cofre em seu escritório em L.A., que está sendo abalado por terremotos. O desenvolvimento habitacional do Berman no Vale também está passando por atividades sísmicas. Gittes é quase morto numa explosão de gás, acordando para encontrar Berman e sua esposa, Kitty, em pé sobre ele.
Gittes tem um confronto, e mais tarde um encontro sexual, com Lilian Bodine, a viúva furiosa do homem morto. Ele é apresentado com provas de que Earl Rawley, um homem rico e implacável do petróleo, pode estar perfurando sob o desenvolvimento de Bodine e Berman, embora Rawley o tenha negado. Isto leva a uma necessidade de determinar quem é o proprietário dos direitos minerais sobre a terra. Gittes descobre que os direitos pertencem a uma Katherine Mulwray, filha de Evelyn Mulwray, seu interesse amoroso de onze anos antes. Ele também descobre que as transferências da escritura foram executadas de forma a tentar esconder a propriedade anterior de Katherine Mulwray e a continuação da reivindicação dos direitos minerais. Além disso, ele também descobre que Noé Cross já tinha morrido e que Katherine tinha escapado do seu domínio.
Os operacionais de Gittes viram Berman na companhia de uma mulher loira junto com Mickey, e de um guarda-costas. Com um pouco de limpeza, Gittes determina que a mulher é uma oncologista e está tratando Berman para o câncer em algum lugar abaixo da cintura. Gittes confronta Berman com este conhecimento e obtém uma confissão completa. Pelo caminho, Gittes descobre que Berman não vai sobreviver e toda a armadilha foi para garantir que Kitty fosse protegida quando ele morresse.
Para que Kitty falasse com ele, Gittes precisa provar que Berman se propôs a matar seu parceiro. Uma vez cumprida, Kitty concorda em encontrar Gittes e dizer-lhe o que sabe sobre Berman. No processo de discutir as possíveis motivações de Berman, os direitos minerais e o possível paradeiro de Katherine, é revelado que Kitty e Katherine são a mesma pessoa. Kitty nunca suspeitou que seu marido estivesse morrendo.
Para provar premeditação, paixão e talvez até ligações com uma mulher há muito desaparecida, parece que todos querem a gravação, que Gittes se recusa a desistir até o dia do inquérito. De alguma forma, Gittes edita a gravação, deixando o nome de Katherine cortado do diálogo, do tiroteio e do rescaldo do assassinato de Bodine. Isto torna o inquérito uma reunião curta e satisfatória, onde o juiz não tem motivos para suspeitar de assassinato, e Berman está agora livre de acusações criminais. Confrontado com o conhecimento que Gittes tem de sua doença terminal, Berman, sabendo que a casa modelo em que ele está está cheio de gás natural, convence Gittes e Mickey a deixá-lo sozinho na casa para que ele possa “fumar um cigarro”. Ele não quer que uma autópsia interfira com a herança de Kitty. Enquanto eles saem de carro, a casa explode.
A história termina com Kitty e Gittes em seu escritório. Eles falam de arrependimentos, e Kitty beija Gittes, que rejeita seus avanços, dizendo: “Esse é o seu problema, garoto”. Tu não sabes quem estás a enganar.” Ela sai, dizendo-lhe para “Pense em mim de vez em quando”. Gittes diz-lhe: “Nunca desaparece.”