Um acidente automobilístico na estrada Mulholland Drive, em Los Angeles, dá início a um complexo enredo que envolve várias personagens. Rita (Laura Harring) escapa da colisão, mas perde a memória e consegue sair do local para se esconder num edifício residencial que é administrado por Coco (Ann Miller). É nesse mesmo prédio para onde vai morar Betty (Naomi Watts), uma aspirante a atriz recém-chegada à cidade, a qual irá ajudar a nova amiga a descobrir a sua identidade.
Noutra parte da cidade, o cineasta Adam Kesher (Justin Theroux), após ser espancado pelo amante da esposa, é roubado pelos sinistros irmãos Castigliane.