Dans une petite ville tranquille de Caroline du Nord... Une étrange découverte pousse Jeffrey Beaumont, un jeune étudiant (Kyle MacLachlan), à jouer les détectives amateurs en compagnie de la fille de ses voisins (Laura Dern), dont le père est policier. Sans se douter des dangers qui le guettent, Jeffrey se met à espionner la fascinante Dorothy Vallens (Isabella Rossellini), chanteuse de bar aux mœurs très particulières...
