L'investigatore privato Tom Welles (Nicolas Cage) conduce una vita normale insieme alla moglie (Catherine Keener) e alla figlia ad Harrisburg, Pennsylvania. Si occupa principalmente di casi di infedeltà, ma un caso riguardante un apparentemente innocuo filmino gli fa conoscere gli angoli più bui e sordidi della società. Dai marciapiedi di Hollywood Boulevard al distretto del confezionamento carni di New York, Welles segue senza sosta le tracce inquietanti che gli riveleranno il fato di una sconosciuta, una ragazza che tormenta la sua coscienza. Sostenuto nella sua ossessione dal commesso di una libreria per adulti esperto dei bassifondi (Joaquin Phoenix), Welles si allontana dalla moglie, dalla famiglia e dalla sua vecchia vita e capisce la pericolosità di un otto millimetri.