Después de un extraño accidente de coche en la carretera Mulholland Drive de Los Ángeles, una mujer que queda medio inconsciente tras lo sucedido se oculta en una casa. Betty, la sobrina de la propietaria, una mujer que sueña con ser actriz, recién llegada a Hollywood, la encontrará totalmente amnésica y decide ayudarla. En el bolso de la joven desconocida se encuentra con una llave azul y una variada cantidad de fajos de billetes. El nebuloso recuerdo de un nombre, Diane Selwyn, las ayudará a ambas en el intento de averiguar la identidad de la misteriosa mujer y por qué motivos ha sufrido tal accidente, sabiendo cuál es la verdad que se esconde tras la extrañeza de los hechos.