Una banda organizada formada por seis individuos es contratada para dar un golpe. Anteriormente varios de los miembros no se conocían entre sí, por lo que entre ellos usan nombres en clave. El objetivo: atracar una empresa para llevarse unos diamantes. Pero, antes de que suene la alarma, la policía ya está allí. Algunos mueren en el atraco, y el resto se reúne en el lugar convenido.

Tras eliminar a algunos miembros de la banda que intentaron asesinarla el día de su boda, «Mamba Negra» (Uma Thurman) intenta acabar con los demás, especialmente con Bill, su antiguo jefe (David Carradine), que la había dado por muerta.

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.

Uma Thurman es una asesina que, el día de su boda, es atacada por los miembros de la banda de su jefe, Bill (David Carradine). Logra sobrevivir al ataque, aunque queda en coma. Cinco años después despierta con un trozo de metal en la cabeza y un gran deseo de venganza en su corazón.

A pesar de moverse en el mundo del crimen, Doc McCoy, el rey de los ladrones, es un hombre responsable que tiene su particular sentido de la ética. Su mujer y su cómplice, tratarán por todos los medios de ayudarlo a escapar de la prisión mexicana en la que está recluido.