En ung kvinne, bare kjent som Rita, blir involvert i en bilulykke med to menn på Mulholland Drive i Hollywood. De to mennene dør i kollisjonen, men Rita overlever og krabber fra ulykkestedet. Hun husker ingenting etterpå, ikke engang navnet sitt, men greier å komme seg til et leilighetskompleks i nærheten. Dette er starten på et intenst og til tider uhyggelig drama i beste David Lynch-stil.

Senere kommer Betty, en ung aspirerende skuespillerinne, til Los Angeles og til leilighetskomplekset der hennes tante Ruth bor. Tanten er borte, men hun blir tatt imot av bestyrinnen, Coco (Ann Miller), og får komme inn i tantens leilighet. Kort etter møter hun Rita, som etterhvert åpner seg for Betty, og sammen prøver de å ut finne ut av hvem Rita egentlig er.

Dette er bare én av de intrikate historiene som foregår i Mulholland Drive. Filmen er en komplisert blanding av drøm og virkelighet. Alle de løse trådene gjør oss sterkt forvirret, og vi lurer til det siste om Lynch makter å få alle brikkene på plass i sluttminuttene.