En las sórdidas calles de Sin City, un hombre busca venganza. Dwight (Josh Brolin) trata de ajustar cuentas con la misteriosa Ava Lord (Eva Green), la letal mujer que le traicionó. Nancy intenta superar la muerte de Hartigan, y Johny tiene una peligrosa misión: acabar con el mayor villano de Sin City. En su propósito, conocerá a la joven stripper Marcy (Julia Garner).

Bienvenidos a Sin City, ciudad de policías corruptos, atractivas damas y vigilantes desesperados. Algunos están buscando venganza, algunos redención, y otros, ambas cosas. Un universo de héroes inverosímiles que intentan hacer lo correcto. Sin City es una ciudad que vive entre la luz y la oscuridad, llena de personajes singulares. Está por ejemplo Marv (Mickey Rourke), un superviviente que busca vengar la muerte de su único amor. También está Dwight (Clive Owen), un investigador privado que intenta dejar sus problemas atrás. Después de que un policía sea asesinado, Dwight no parará ante nada para proteger a sus amigos. Finalmente, está la historia de Hartigan (Bruce Willis), el último policía honesto de Sin City, que va tras la pista de una joven en manos del sádico hijo de un senador... con resultados inesperados.

Cada 5.000 años se abre una puerta entre las dimensiones. En una dimensión existe el Universo y la vida. En la otra dimensión existe un elemento que no está hecho ni de tierra, ni de fuego, ni de aire, ni de agua, sino que es una anti-energía, la anti-vida: es el quinto elemento.

En el año 2035, el convicto James Cole voluntarios a regañadientes para ser enviado de regreso en el tiempo para descubrir el origen de un virus mortal que aniquiló a casi toda la población de la tierra y obligó a los sobrevivientes a las comunidades subterráneas. Pero cuando Cole es enviado por error a 1990 en lugar de a 1996, es arrestado y encerrado en un hospital psiquiátrico. Allí conoce a la psiquiatra Dra. Kathryn Railly, y al paciente Jeffrey Goines, hijo de un famoso experto en virus, que puede tener la llave del misterioso grupo rebelde, el Ejército de los 12 Monos, que se cree será el responsable de desencadenar la enfermedad mortal.