Filmen handler om hvordan en række personers liv bliver viklet sammen efter en tragisk busulykke, der måske - måske ikke - var forsætlig.

L.A. 1970. Den omtågede privatdetektiv Doc Sportello opsøges af sin eks, Shasta Fay. Hun beder Doc om hjælp til at forpurre et komplot, som hendes nye elskers kone har udtænkt for at få den stenrige gom smidt i galehuset. Før Doc kan sige "knæhøj karse", er Shasta og hendes elsker sporløst væk. Doc tumler ud på opgaven og mister hurtigt tråden i byens virvar af excentriske originaler og farlige pigebørn.

Phil Stern, den magtfulde ejer af et stort filmselskab, bliver opsøgt af sin nevø, der søger arbejde i industrien. Den unge mand, der er rejst fra Bronx i New York til Los Angeles, bliver tilbudt et lille assistentjob, og han tager gladeligt imod. Phils sekretær, Vonnie, får til opgave at vise den nytilflyttede rundt i filmbyen. Forholdet udvikler sig til en regulær romance, men da en hemmelighed kommer frem i lyset, sættes deres kærlighed på prøve.

Denne coming-of-age-fortælling følger den unge Sammy Fabelman, der jager drømmen om at lave film. Den kunstneriske mor, Mitzi, er forkæmper for Sammys filminteresse, mens den videnskabelige far, Burt, ser det som en useriøs hobby. Men Sammy har hengivet sig til film og de magiske øjeblikke, der kan fortælle sandheden om ham selv og familien.