세기적인 갑부 크리스티앙이 죽자 사설 탐정 탐 웰즈(니콜라스 케이지 분)가 호출되어, 크리스티앙의 금고 속에 은밀하게 보관되어 있던 8미리 필름의 정체를 조사해 달라는 의뢰를 받는다. 펜실베니아의 조그만 마을에서 아내 에이미(케서린 키너 분)와 딸 신디와 함께 무난하게 살아가는 탐은 외도 남편 미행 조사 등 별 위험도 없고 위협도 없는 자질구레한 일을 처리하는 흥신소 직원이다. 그에게 이번에 의뢰받은 일은 다소 생소한 것이었다.
그러나, 한 10대 소녀의 애절한 초상이 든 이 필름이 그를 당혹스럽게 만든다. 그리고 그녀가 누구인지, 왜 이 필름에 찍혀있는지, 지금은 어디에 있는지 조사하기 시작한다. 가출 조사 보고서를 샅샅이 뒤지던 탐은 필름 속의 소녀가 이미 오래 전에 사라져버린 매리앤이라는 여자아이임을 알아낸다. 그리고 그녀의 집을 방문하고는 씁쓸하게 혼자 매리앤을 기다리는 어머니를 만난다. 매리앤이 배우가 되고자 했었다는 사실을 알게 된 탐은 헐리웃으로 무대를 옮긴다.
여느 가출 소녀들처럼 헐리웃의 싸구려 비디오 배우로 전락했으리라 예상한 탐은 포르노잡지를 면밀히 조사한다. 그러나 매리앤을 닮은 소녀는 어느 곳에도 없다. 이 때 맥스를 만나게 되는 탐.
가수가 되는 것이 꿈인 맥스(조아킨 피닉스 분)는 생계를 위해 섹스숍에서 일하며 몰래 대부를 탐독한다. 세상물정에 밝은 맥스의 도움을 받아 탐은 또 하나의 세계를 탐험한다. 포르노 영화의 암시장, 섹스숍의 뒷방, 그리고 온갖 종류의 폭력과 강간이 나무하고 녹화되는 음란한 지하세계는 핑크빛 조명 아래서 적나라하게 술렁거린다.
이 때, 매리앤이 마지막으로 들렀던 직업 소개소를 찾아내는데…
