Auf dem Mulholland Drive, der sich hoch oben über Los Angeles durch die Hollywood Hills schlängelt und bei Tag eine atemberaubende Aussicht bietet, gleitet eine dunkle Limousine lautlos durch die Stille der Nacht. Plötzlich stoppt der Wagen, der Chauffeur richtet eine Waffe auf die namenlose Schönheit im Fond des Fahrzeugs. Doch noch bevor er abdrücken kann, kollidiert ein entgegenkommendes Auto mit der Limousine und die Unbekannte kann entkommen. Äußerlich ist sie nahezu unverletzt, doch hat sie bei dem Unfall ihr Gedächtnis verloren. Ziellos irrt sie durch die Straßen und findet schließlich in einer leerstehenden Wohnung Unterschlupf. Nur wenig später taucht eine weitere junge Frau auf: Betty Elms (Naomie Watts), die von Kanada nach L.A. gereist ist, um in der Traumfabrik Hollywoods als Filmschauspielerin zu beginnen. Während die nichts ahnende Betty und die geheimnisvolle Fremde, die sich kurzerhand Rita nennt, das Haus teilen, gehen auch an anderen Schauplätzen der Stadt unerklärliche Dinge vor sich. Da ist ein Auftragskiller, dem die Situation unter grotesken Umständen entgleitet und ein weiterer Zeitgenosse, der von finsteren Vorahnungen geplagt wird auf dem Parkplatz eines Restaurants dem Bösen ins Auge sieht. Und schließlich ist da auch noch der Erfolgsregisseur Adam Kesher (Justin Theroux), dessen Leben sich durch die Drohungen bizarrer Finanziers gravierend ändert und der zum ersten Mal mit seiner eigenen Machtlosigkeit konfrontiert wird. Zur gleichen Zeit versuchen Rita und die gutherzige, stets hilfsbereite Betty, die mit einer schauspielerischen Glanzleistung den Eintritt in die Welt des Films geschafft hat, das Geheimnis um die verlorene Identität Ritas zu lüften, stoßen bei ihren Nachforschungen aber auf mehr Fragen als Antworten...