Una anciana aparece asesinada en el salón de su casa a las afueras de Oxford. Su cuerpo es descubierto por dos hombres que en ese momento se encuentran por primera vez: Arthur Seldom (John Hurt), prestigioso profesor de Lógica, y Martin (Elijah Wood), un joven estudiante americano recién llegado a la universidad con la intención de que el famoso profesor dirija su tesis doctoral.

La historia central se centra en Marv, un matón callejero de toda la vida. Cuando Marv acoge en su casa a una diosa de la belleza llamada Goldie, sólo para conservar su cadáver en la cama, peinó la ciudad para vengarse de la pérdida del único amor que había sentido en su corazón. Otra de las historias es la de Dwight, un investigador privado que se empeña una y otra vez en dejar atrás los problemas a pesar de que no consigue deshacerse de ellos. Después de que muera un policía en el casco antiguo de la ciudad, Dwight no se detiene ante nada para proteger a sus amigos entre las damas de la noche. Y finalmente, está la historia de John Hartigan - el último policía honrado de SIN CITY. Su vida profesional está a punto de terminar. En su último caso trata de salvar a una niña de 11 años de las manos del sádico hijo de un senador... con sorprendentes resultados.