Een donkerharige vrouw (gespeeld door Laura Harring) krijgt midden in de nacht een ongeluk op Mulholland Drive in Los Angeles en verliest daardoor haar geheugen. Eigenlijk was zij ontvoerd door twee mannen die op het punt stonden haar te liquideren, maar op het laatste moment crasht een auto die bezig is met streetracen op de wagen van de ontvoerders. De twee criminelen zijn dood, de donkerharige vrouw is ongedeerd. Verward loopt ze terug naar de stad en overnacht in een leegstaand appartement. De volgende dag wordt ze daar gevonden door Betty Elms (gespeeld door Naomi Watts), een jonge actrice die net naar Hollywood is verhuisd met de bedoeling het daar te gaan maken. De donkerharige vrouw weet niet hoe ze heet, maar besluit zichzelf Rita te noemen omdat ze de naam Rita Hayworth op een filmposter ziet staan. Betty en Rita proberen samen te reconstrueren wat er met Rita gebeurd is. Er ontwikkelt zich een lesbische relatie tussen beiden.

Nederlandse ondertitels.