Los Angeles. Le saxophoniste Fred Madison soupçonne Rennée, sa femme, de lui être infidèle. Ils commencent à recevoir de mystérieuses cassettes vidéo anonymes montrant leur maison, filmée de l'extérieur puis de l'intérieur (y compris eux dans leur sommeil).

Fred rencontre ensuite un Homme Mystère qui lui joue un tour inexplicable. Plus tard, sur l'une des cassettes, nous avons une vision rapide de ce qui semble être une Renée démembrée.

Arrêté pour meurtre, Fred commence à souffrir de maux de tête violents.

Le lendemain, le mécanicien Pete Dayton se réveille dans la cellule de Fred, incapable d'expliquer comment il s'est retrouvé là. Pete est libéré, mais il soupçonne que les choses ne sont pas tout à fait normales. Sheila, sa petite amie, lui parle de "cette nuit-là" durant laquelle il aurait commencé à changer.

Pete rencontre ensuite Alice (qui ressemble trait pour trait à Renée), la maîtresse du gangster M. Eddy. Une histoire d'amour passionnée débute entre eux. Alice convainc Pete d'aller cambrioler Andy, un metteur en scène de films pornos, pour qu'ils puissent s'enfuir ensemble.

Pete tue Andy accidentellement et le couple s'enfuit dans ledésert jusqu'au Lost Highway Hotel. La police est à présent sur les traces de Pete ; Alice le rejette. Et c'est Fred qui revient. L'Homme Mystère, armé d'un camescope, réapparaît, tout comme M. Eddy - que Fred va abattre.

Sirènes hurlantes, les voitures de police prennent Fred en chasse, le long d'une sombre route du désert.