Los Angeles, 1970. Doc Sportello, détective privé à l'allure improbable, carbure aux joints bien roulés et aux trips intersidéraux à l'acide. Avec son meilleur ennemi, le flic Bigfoot, il enquête sur la disparition d'un milliardaire aux tendances nazies, Mickey Wolfmann. Au fil d'une enquête psychédélique, ils traversent une Californie en plein bouleversement, marquée par la fin du rêve hippie, les tensions raciales, le traumatisme des crimes de Charles Manson et les blessures de la guerre du Vietnam.