1950년대 초, LA 경찰 소속의 후버(닉 놀테 분)와 함께하는 쿨리지(차즈 팔민테리 분), 에디(마이클 매드슨 분), 렐리야(크리스 펜 분) 등 4명의 형사들은 폭력 조직이 가장 무서워하는 존재들이다. 큰 키에 매력적인 외모, 멋진 양복으로 근사하게 차려 입은 이들은 강렬한 시선을 감추기 위해 항상 챙 넓은 중절모를 트레이드 마크로 쓰고 다닌다.
또한 그들은 갱들과 무고한 시민을 괴롭히는 범죄자들을 재판 절차도 거치지 않고 죽음의 절벽인 ‘멀홀랜드 폴스’에서 밀어내 사형시켜 버리는 것으로 유명했다. 그것은 그들 4명이 묵시적으로 지켜가는 그들만의 법이었다.
그러던 어느 날, LA 근교 사막에서 여성의 끔찍한 변사체가 발견된다. 수사는 그들의 리더이자 고참 형사인 후버에게로 돌아가지만 시체의 신원은 과거 후버의 정부였던 엘리슨(제니퍼 코넬리 분)이었고 후버는 점점 사건의 객관성을 잃어간다. 이 때 후버에게 보내진, 현재 핵 폭탄 기지장인 토마스 팀스 장군(존 말코비치 분)과 엘리슨의 정사를 담은 16mm 필름. 후버는 그 필름을 증거로 재수사를 시작한다.
하지만 수사 도중 예기치않게 핵 방사능과 관련된 엄청난 사실을 알게 되고 정부 기관의 압력에 딜레마에 빠진다. 영원히 감추어져야 할 사실을 알게 된 그는 마침내 목숨을 건 수사를 시작한다.
