Eine Frau liegt unter einer roten Decke im Bett und schläft. Wir sehen sie nicht, hören jedoch, wie sie unruhig träumt.

Langsam fährt ein schwarzer Cadillac über den Mulholland Drive in den Hügeln von Hollywood. Es ist Nacht. Im Fond sitzt eine junge glamouröse Frau im Abendkleid (Laura Elena Harring). Plötzlich hält der Wagen an; der Fahrer richtet eine Pistole auf sie und forderte sie zum Aussteigen aus. Der Beifahrer reißt ihre Tür auf. Offenbar soll die Frau umgebracht werden. Da tauchen zwei andere Autos auf, deren jugendliche Fahrer sich auf der kurvenreichen Straße ein nächtliches Wettrennen liefern. Einer von ihnen kracht mit voller Wucht in die stehende Limousine. Die Frau im Abendkleid kriecht unverletzt aus dem Wrack, taumelt und wankt über den Abhang hinunter zur Franklin Avenue, wo die Siedlungen anfangen.

Zufällig beobachtet sie am Morgen eine ältere Dame, die gerade ihr Haus verlässt und offensichtlich verreist. Während die Bewohnerin die Koffer zum Wagen bringen lässt, gelingt es der Brünetten im Abendkleid, sich unbemerkt ins Haus zu schleichen. Sie will nur noch schlafen.

Die Detectives Harry McKnight (Robert Forster) und Neal Domgaard (Brent Briscoe), die den Unfall auf dem Mulholland Drive untersuchen, halten es für wahrscheinlich, dass auf dem Rücksitz noch jemand saß.

In einem Schnellrestaurant („Winkie’s“) erzählt ein Mann seinem Psychiater von einem Traum, den er zweimal hatte: Sie befinden sich beide hier in diesem Schnellrestaurant und verspüren panische Angst. Durch die Wand hindurch sieht der Erzähler die Ursache dafür: eine furchtbare Fratze. Die beiden Männer gehen hinaus, um sich hinter dem Gebäude umzusehen. An einer Ecke erblickt der Patient plötzlich in die Fratze und bricht bewusstlos zusammen.

Betty Elms (Naomi Watts), eine junge, unternehmungslustige Blondine aus der Kleinstadt Deep River in Ontario, trifft im Airport von Los Angeles ein und verabschiedet sich herzlich von Irene (Jeanne Bates), einer älteren Dame, mit dem sie sich während des Fluges unterhielt. (Sobald Irene und ihr Begleiter – Dan Birnbaum – auf dem Rücksitz eines Autos Platz genommen haben, grinsen sie sich maliziös an.) Erwartungsvoll blickt Betty sich um: Sie ist nach L. A. gekommen, um Filmschauspielerin zu werden. Ein Taxi bringt sie zum Apartment ihrer Tante Ruth Elms (Maya Bond), die selbst Schauspielerin ist, zu Dreharbeiten nach Kanada geflogen ist und ihr für diese Zeit ihr Haus zur Verfügung gestellt hat. Coco Lenoix (Ann Miller), die Managerin der Wohnanlage in Hollywood, sperrt ihr die Haustür auf und händigt ihr die Schlüssel aus.

Zu ihrer Überraschung trifft Betty im Bad auf eine etwa gleichaltrige brünette Frau, die sich gerade duscht. Sie nimmt an, dass es sich um eine Freundin ihrer Tante handelt. Als sie die Unbekannte nach ihrem Namen fragt, muss diese erst überlegen; erst als ihr Blick auf ein Filmplakat von „Gilda“ mit Rita Hayworth fällt, nennt sie den Namen Rita.

Der Filmregisseur Adam Kesher (Justin Theroux) und sein Manager Robert Smith (David Schroeder) finden sich in einem Konferenzraum der Produktionsgesellschaft Ryan Enterprise ein, um über die Besetzung der Hauptrolle im nächsten Filmprojekt zu reden, aber ein ebenso wortkarges wie Furcht erregendes Brüderpaar – Luigi und Vincenzo Castigliane (Angelo Badalamenti, Dan Hedaya) – deutet auf ein Foto einer gewissen Camilla Rhodes und meint: „Das ist die Richtige!“ Adam sträubt sich dagegen, eine ihm unbekannte Schauspielerin aufgezwungen zu bekommen, aber niemand hört auf ihn. Als er aus dem Gebäude kommt, nimmt er wütend einen Golfschläger aus seinem Cabrio, und der Chauffeur der Gebrüder Castigliane (Matt Gallini) kann nicht verhindern, dass der aufgebrachte Regisseur die Windschutzscheibe der Limousine zertrümmert.

Die Anordnung, Camilla Rhodes als Hauptdarstellerin zu engagieren, ging offenbar von dem geheimnisvollen Mr Roque (Michael J. Anderson) aus, der in einem großen fensterlosen Raum hinter einer Glasscheibe im Rollstuhl sitzt und nur über die Sprechanlage mit seinem Diener (Joseph Kearney) kommuniziert.

Der junge Auftragskiller Joe Messing (Mark Pellegrino) erschießt einen Mann namens Ed (Vincent Castellanos) an dessen Schreibtisch, um ihm ein Notizbuch abnehmen zu können. Damit es wie ein Selbstmord aussieht, drückt er dem Toten die Pistole in die Hand, und feuert wegen der Schmauchspuren die Waffe noch einmal ab. Hinter der dünnen Wand kreischt jemand auf, und als der Killer nachsieht, stößt er auf eine korpulente Frau (Diane Nelson), die vergeblich versucht, ihr Gesäß anzusehen und klagt: „Mich hat was gebissen!“ Der Killer tötet die Zeugin – und den Mann von der Putzkolonne (Charles Croughwell), der Verdacht geschöpft hat. Als der Killer auf den lärmenden Staubsauger schießt, um ihn abzustellen, löst er einen Kurzschluss und damit automatisch Alarm aus, aber er entkommt durch ein Fenster.

Kurz darauf fragt er an einer Raststätte ein Mädchen, ob sie eine „ramponierte Brünette“ gesehen habe.

Bei einem Telefongespräch erfährt Betty, dass ihre Tante Ruth niemand mit dem Namen Rita kennt und ihr Haus nur ihrer Nichte zur Verfügung gestellt hat. Darauf angesprochen, gesteht die vermeintliche Rita, sie habe auf dem Mulholland Drive einen Unfall gehabt und könne sich sonst an nichts weiter erinnern; sie wisse nicht einmal, wer sie sei und wie sie heiße. Auf Bettys Rat hin öffnet „Rita“ ihre Handtasche. Darin ist zwar kein Führerschein, nichts, woraus man auf ihre Identität schließen könnte, aber ein blauer Schlüssel – und drei, vier dicke Bündel Geldscheine. Die versteckt Betty erst einmal in einer Hutschachtel.

Sie überredet „Rita“, mit ihr zu einem Münzfernsprecher zu gehen, ruft die Polizei an und findet heraus, dass es in der Nacht tatsächlich einen Unfall auf dem Mulholland Drive gab. Sie kaufen sich eine Zeitung, suchen ein „Winkie’s“ auf und trinken einen Kaffee, während sie vergeblich nach einer Meldung über den Unfall suchen. Als „Rita“ das Namensschild der Bedienung (Melissa Crider) liest – Diane Selwyn –, glaubt sie plötzlich, selbst so zu heißen.

Adam wird von seiner Mitarbeiterin Cynthia Jenzen (Katharine Towne) telefonisch unterrichtet, dass der Set geschlossen ist und alle Mitwirkenden entlassen wurden. Sie drängt ihn, etwas dagegen zu unternehmen, aber er will einfach nur nach Hause fahren. Dort erwischt er seine Ehefrau Lorraine (Lori Heuring) mit dem bulligen Handwerker Gene (Billy Ray Cyrus) im Bett. Ohne ein Wort zu sagen, nimmt Adam die Schmuckschatulle seiner Frau, geht in die Garage und gießt rosa Farbe hinein. Lorraine schreit, und Gene versetzt Adam einen kurzen Hieb auf die Nase, bevor er ihn zur Haustür hinauswirft.

Kurz darauf klingelt ein Muskelprotz an Adams Haustür und fragt nach dem Regisseur. Lorraine sagt ihm, ihr Mann sei nicht da, und weil der Fremde nicht wieder gehen will, springt sie ihm ins Genick, während Gene den Eindringling angreift. Der schüttelt die beiden jedoch wie Fliegen ab.

Adam versteckt sich in einem schäbigen Hotel in Los Angeles. Cookie (Geno Silva), der Manager, warnt ihn nach einer Weile, zwei Leute von der Bank seien vorbeigekommen, um mitzuteilen, dass Adams Konto leer sei. Wie hat man herausgefunden, wo er zu finden ist? Adam ruft Cynthia an. Sie bestätigt, dass er pleite ist und übermittelt ihm die Forderung, sich bei einer verlassenen Ranch mit einem Cowboy zu treffen. Adam fährt zu dem angegebenen Ort und trifft dort tatsächlich auf einen wie ein Cowboy gekleideten Mann (Monty Montgomery), der von ihm verlangt, ein weiteres Casting für die Hauptrolle des geplanten Films durchzuführen. Sobald Camilla Rhodes sich vorstelle, wisse er: „Das ist die Richtige!“

An der Haustür von Ruth Elms klingelt es. „Rita“ drückt sich ängstlich in eine Zimmerecke, während Betty öffnet und einer verwirrten, schrecklich aussehenden Alten gegenübersteht. „Da ist jemand in Schwierigkeiten“, murmelt die Irre. Glücklicherweise kommt gerade Coco vorbei. Sie kennt die Frau – sie heißt Louise Bonner (Lee Grant) – und nimmt sie mit.

Coco, die von Ruth am Telefon erfuhr, dass Betty eine Unbekannte aufgenommen hat, warnt die unbekümmerte junge Frau vor dem Risiko, aber Betty hört nicht auf sie. Sie lässt „Rita“ auch im Haus, während sie zu einem Casting fährt, dort erfahrene alte Filmemacher wie Wally Brown (James Karen) mit ihrer intensiven und nuancenreichen Darstellung verblüfft und gleich von einer Agentin – Wallys früherer Ehefrau – zu einem weiteren Vorsprechen mitgenommen wird. Es handelt sich um Probeaufnahmen, die Adam Kesher weisungsgemäß durchführt. Während er Betty hingerissen anstarrt, stellt sich eine „Camilla Rhodes“ (Melissa George) vor, und er sagt: „Das ist die Richtige!“

Noch bevor Betty an die Reihe gekommen wäre, hetzt sie davon, weil sie „Rita“ versprochen hat, nach Diane Selwyn zu suchen. Sie nehmen ein Taxi. Als sie sich der im Telefonbuch gefundenen Adresse nähern, entdeckt „Rita“ zwei in einem Auto wartende Männer und duckt sich voller Angst. In der Wohnanlage läuten sie bei Nummer 12, aber die Frau, die öffnet, hat das Apartment vor drei Wochen mit Diane Selwyn getauscht; die Gesuchte wohnt jetzt in Nummer 17.

In Apartment 17 scheint niemand zu sein. Kurzerhand klettert Betty durch ein offenes Fenster und öffnet von innen die Haustür, um „Rita“ einzulassen. Es stinkt fürchterlich. Das Gestank kommt aus dem Schlafzimmer, wo die halb verweste Leiche einer blonden Frau (Lyssie Powell) auf dem Bett liegt: Diane Selwyn!?

An diesem Abend – es ist der zweite, den die beiden jungen Frauen gemeinsam in Ruths Haus verbringen –, lädt Betty ihre Mitbewohnerin ein, statt auf der Coach bei ihr im Doppelbett zu schlafen. „Rita“ nimmt die blonde Perücke ab, die sie inzwischen trägt, lässt das Badetuch zu Boden gleiten und schlüpft nackt zu Betty unters Laken. Sie küssen und lieben sich. Um 2 Uhr nachts ruft „Rita“ im Traum „Silenzio!“, wacht auf und lässt Betty keine Ruhe, bis sie zusammen in die Stadt fahren. Dort besuchen sie ein nächtliches Illusionstheater im „Club Silenzio“. Der Magier (Geno Silva) beteuert, dass es sich bei der Musik, die zu hören ist, um eine Einspielung vom Band handele; sogar seine eigene Stimme sei aufgezeichnet. Am Ende seiner Darbietung verschwindet er plötzlich, und auf der Bühne ist nur noch sein Mikrofonständer zu sehen. Die Sängerin Rebekah Del Rio (Rebekah Del Rio), die nach ihm auftritt, bricht plötzlich wie tot zusammen – aber ihr ergreifender Gesang wird dadurch nicht unterbrochen: Er kommt vom Band.

Mit dem blauen Schlüssel aus ihrer Handtasche öffnet „Rita“ schließlich ein blaues Kästchen. Es ist leer. Als sie die Hutschachtel mit dem vielen Geld aus dem Schrank holt, ist Betty plötzlich nicht mehr da. Ruth schaut kurz zur Tür herein. Der „Cowboy“ öffnet die Tür zu Diane Selwyns Apartment und ruft: „Es ist Zeit, aufzuwachen!“

Betty liegt in der Haltung auf dem Bett, in der sie und „Rita“ die Leiche von Diane Selwyn vorgefunden hatten. Es klopft an der Tür. Sie erwacht und öffnet. Die Frau, die jetzt in Nummer 12 wohnt, möchte ihre restlichen Sachen abholen. Sie redet Betty mit „Diane“ an. Betty ist Diane Selwyn! „Rita“ befindet sich plötzlich bei ihr im Zimmer, und Diane weiß, dass es sich um Camilla Rhodes handelt. Die beiden Frauen fangen erneut an, Zärtlichkeiten auszutauschen, aber Camilla will plötzlich nicht mehr.

Diane schaut zu, wie eine Liebesszene mit Camilla in einem Cabrio gedreht wird. Adam erklärt ihr gerade, wie er sich das vorstellt und küsst Camilla leidenschaftlich.

Diane befindet sich wieder in ihrem Apartment und weigert sich, Camilla einzulassen. Nachdem sie die Tür geschlossen hat, legt sie sich auf die Coach und masturbiert schluchzend.

Ein Telefon unter einem roten Lampenschirm klingelt. Diane hebt ab, und Camilla sagt: „Diane, der Wagen wartet. Kommst du? Es bedeutet mir so viel.“ Diane soll zu einer Adresse am Mulholland Drive fahren. Ein schwarzer Cadillac bringt sie hin. Es ist dunkel. Sie sind im Fond. Der Fahrer hält plötzlich an und fordert sie zum Aussteigen auf. Camilla taucht neben dem Wagen auf und führt Diane zu einer Villa, wo gerade eine Party gefeiert wird. Adam Kesher ist auch da und stellt Coco Lenoix als seine Mutter vor. Bei Tisch erzählt Diane, ihre Tante Ruth sei gestorben und sie sei aus Deep River in Ontario gekommen, um in Hollywood Schauspielerin zu werden. Die ersehnte Hauptrolle habe zwar nicht sie, sondern Camilla bekommen, aber Camilla habe ihr kleinere Rollen vermittelt und sei ihre Freundin geworden. Vor ihren Augen küsst eine andere Schauspielerin Camilla lasziv auf den Mund. Gleich darauf geben Adam und Camilla ihre Verlobung bekannt.

Diane sitzt mit dem Auftragskiller in dem „Winkie’s“, steckt ihm Geld zu und das Foto von Camilla, die er töten soll. Sobald er seinen Auftrag erledigt habe, sagt der Killer, werde sie einen blauen Schlüssel finden, und als Diane fragt, was man damit öffnen könne, lacht er nur. Die Bedienung (Melissa Crider), die den Kaffee einschenkt, heißt ihrem Namensschild zufolge Betty.

In ihrer Wohnung hört Diane Geräusche. Mit großem Getöse dringen plötzlich von überall her Gestalten auf sie ein. Nach kurzer Zeit bleibt die leere Bühne aus dem „Club Silenzio“ übrig, und eine einsame Zuschauerin mit blauen Haaren (Cori Glazer) ruft: „Silenzio.“