Film rozpoczyna scena, w której młoda kobieta traci pamięć w wyniku wypadku samochodowego na Mulholland Drive. Półprzytomna znajduje schronienie w luksusowym apartamencie, do którego następnego dnia wprowadza się początkująca aktorka. Dziewczyny zaprzyjaźniają się. Okazuje się, iż torba rannej wypełniona jest pieniędzmi. Bohaterki próbują rozwikłać zagadkę. Natrafiają jednak na nowe pytania i tajemnice: puste mieszkania, nieznajomych mężczyzn, morderstwa oraz dziwne nocne spektakle.
Większą część filmu stanowi sen Diane Selwyn (od początku aż do słów "pora wstać" wypowiedzianych przez Kowboja). Sugestię taką zawiera pierwsza scena filmu – najazd kamery na łóżko i poduszkę. Diane została odrzucona przez kochankę – Camillę Rhodes, która odeszła z Adamem, o czym dowiadujemy się pod koniec filmu, podczas przyjęcia. Diane jest zazdrosna i nie potrafi pogodzić się z porażką. Zleca morderstwo Camilli, sama w wyniku szaleństwa popełnia samobójstwo. Sen trwa już po zleceniu zabójstwa – po przebudzeniu na stole leży niebieski klucz, jako znak od mordercy, iż zadanie zostało wykonane.