Tom Wells (Nicolas Cage) est un privé dont le quotidien est loin d'être aussi palpitant que celui des détectives de romans policiers. A Harrisburg, en Pennsylvanie, il mène une vie banale avec son épouse Amy (Catherine Keener) et sa petite fille, Cindy. Tom rêve cependant de l'affaire exceptionnelle qui fera de lui un grand parmi les grands. En attendant, il s'occuppe de petites histoires de dettes impayées et d'adultères. Le grand frisson semble bien loin... Lorsqu'une veuve lui demande d'enquêter sur le film en 8 mm qu'elle a découvert dans le coffre de son défunt mari, Tom bascule dans un univers dont il ne soupçonnait pas l'existence... Le viol et le meurtre de la jeune inconnue, gravés sur la pellicule, vont le précipiter dans un jeu de piste aussi étrange que risqué. Des trottoirs clinquants de Hollywood Boulevard aux bas-fonds sordides de New York, Welles se lance à la recherche d'indices, essayant de reconstituer le puzzle de cette abomination, aidé en sa tâche par un vendeur de livres pour adultes, Max (Joaquin Phoenix).