小贼、美女和妙探以哈里（小罗伯特·唐尼 Robert Downey Jr. 饰）的旁白展开。这个倒霉不断的惯偷为了躲避警方追捕，误打误撞闯进了好莱坞的试镜现场，没想到竟被导演一眼相中，被送往洛杉矶接受表演训练。就这样，哈里稀里糊涂地成了准演员，并准备在电影中饰演一名侦探。
为了让他熟悉角色，剧组安排哈里跟随真正的侦探佩里（瓦尔·基尔默 Val Kilmer 饰）体验办案生活。此时，一宗女性遇害案摆在两人面前。对侦探工作毫无经验的哈里很快吃尽苦头，而性格冷峻、难以相处的佩里，也让这位临时搭档倍感压力。
与此同时，哈里在一场派对上重遇了少年时代的梦中情人哈莫妮（米歇尔·莫娜汉 Michelle Monaghan 饰）。多年过去，哈莫妮虽然已经在好莱坞闯荡，却始终没有真正成名；更令她痛苦的是，妹妹突然神秘自杀。为了赢得哈莫妮的芳心，哈里决定调查这起事件，却逐渐发现它竟与自己和佩里正在调查的命案有所关联，而两起案件背后还藏着一个不为人知的巨大秘密。
