In de nabije toekomst is de aarde verlaten en gevaarlijk geworden. Nu bewoond door een mysterieus ras van schepselen, is de mensheid gedwongen om zijn toevlucht te zoeken in de SkyArk, een door de mens gemaakte stad aan de hemel.

Doc Sportello is een privédetective in het Los Angeles van de jaren zestig. Op een dag staat zijn ex voor de deur met het bericht dat de miljardair op wie zij verliefd is gekidnapt gaat worden. Sportello stort zich op de zaak en voor hij het weet raakt hij verwikkeld in een bizar web van motieven en krijgt hij te maken met surfers, oplichters, drugsverslaafden, een moordlustige woekeraar, een undercover saxofonist, en tot slot een mysterieuze entiteit die bekend staat als de Golden Fang.