主条目：黑色洛城角色列表
第二次世界大战结束后，功勋卓绝的美国海军陆战队退伍老兵科尔·菲尔普斯（阿隆·斯塔登饰）回到洛杉矶，在洛杉矶警察局担任一名普通的巡警。1947年，菲尔普斯成功解决一起重大谋杀案，晋升为警探，其后半年又在交通科和杀人科侦破多个要案大案，包括轰动一时的连环杀人案黑色大丽花悬案，屡获表彰。
加入刑事科不久，菲尔普斯便着手调查军用盈余（英语：military surplus）下来的吗啡注射器（英语：syrette）从载他和海军陆战队战友回家的轮船上失窃，之后在街头流通案件。结果发现偷卖的人，正是他的几位战友，他们把偷来的吗啡交给洛城大毒枭米奇·柯罕（帕特里克·菲施勒（英语：Patrick Fischler）饰），却被米奇雇人杀害。也是在这时，菲尔普斯爱上了来自德国的休息室歌手艾尔莎·利希曼（Elsa Lichtmann，埃丽卡·海纳兹（英语：Erika Heynatz）饰）。
菲尔普斯的刑事科搭档罗伊·厄尔（亚当·J·哈灵顿（英语：Adam J. Harrington）饰）非常贪钱，为了帮助洛城的几位要人洗脱卖淫的大丑闻（英语：Brenda Allen），他趁着菲尔普斯的战友考特尼·谢尔登（Courtney Sheldon，乍得·托德亨特（Chad Todhunter）饰）供认自己参与盗窃吗啡的罪行，揭露了菲尔普斯的通奸罪行。作为交换，厄尔以加入要人们的名目暗中结成犯罪组织。这个团伙巧借“郊区重建基金”（Suburban Redevelopment Fund）的名义，为归乡的退伍军人提供经济适用房，以此掩饰非法勾当。菲尔普斯的婚姻最终破裂，在警察局也不受人待见，最终被贬职到纵火科。菲尔普斯接手调查一连串可疑的家庭火灾时，强烈感受到这些火灾势必牵涉到重建基金的房屋开发工程，但厄尔警告他不要插手基金创办人、地产大亨利兰·门罗（Leland Monroe，約翰·諾伯饰）的事情。于是，菲尔普斯让目前在加州火险寿险公司（California Fire & Life Insurance Company）做调查员的老战友杰克·卡索（Jack Kelso，吉尔·麦金尼（英语：Gil McKinney）饰）帮忙调查此事。
卡索发现开发基金在建造房屋时，使用了劣质的材料，但和他同为重建基金成员的老板柯蒂斯·本森（Curtis Benson，吉姆·阿贝尔（Jim Abele）饰）无视这一事实，继续做担保。卡索之后闯入门罗的豪宅，与门罗的手下展开激烈的枪战，发现同属该组织的知名精神科医生哈兰·方丹（Harlan Fontaine，彼得·布洛奎斯特（Peter Blomquist）饰）曾吩咐他的一位病人报复不愿意把房子卖给基金会的人，放火烧掉他们的家。然而，这个人有一次纵火意外烧死四人，自此患上了不可逆的心理创伤。后来他上诊所和方丹对质，杀掉了方丹，还绑架了方丹的女友艾尔莎。
菲尔普斯来到方丹的诊所调查，发现该团伙已经形成了骗取美国联邦政府补助的链条：门罗一伙人看准政府日后将征收土地用来建高速公路，于是集资买下这片空地，在上面秘密建造建造廉价房屋，等待政府正式收地时发放补偿款，以此骗取政府资金。菲尔普斯还发现，谢尔登已经没有了良心。他以方丹医生的名义，向医疗机构提供偷来的吗啡，之后把得到的收益，重新投资到基金中。后来方丹发现了卡索正在调查基金的非法勾当，而卡索也是谢尔登，便决定杀人灭口。卡索了解到，方丹的病人，正是他和菲尔普斯的战友、火焰喷射手艾拉·霍格布姆（Ira Hogeboom，J·马文·坎贝尔（J. Marvin Campbell）饰）。有一次，菲尔普斯要求他朝洞中的敌人喷火，结果他无意烧死住在里面平民后，从此患上了創傷後壓力症候群。菲尔普斯和卡索将霍格布姆和艾尔莎追进了洛杉矶河隧道，最终救出艾尔莎，而卡索也处死了失去行动能力的霍格布姆，结束了他的痛苦（英语：Non-voluntary euthanasia）。之后突如其来的降雨让河流水位猛涨，一行人连忙逃跑，但菲尔普斯没有赶到出口，被淹死。
葬礼上，同事厄尔为菲尔普斯致悼词，艾尔莎感到厌恶，愤然离开现场。菲尔普斯在纵火科的搭档赫歇尔·比格斯（Herschel Biggs，基斯·斯扎拉巴基克（英语：Keith Szarabajka）饰）告诉卡索，说他和菲尔普斯向来非敌非友。片尾彩蛋的倒叙内容显示，卡索其实早已知道吗啡被盗的事情，但他深知这种事情只会让自己惹上麻烦，拒绝分赃。