В 1937 году женщина, назвавшаяся Эвелин Малрэй, нанимает частного детектива Дж. Дж. «Джейка» Гиттеса, чтобы тот следил за её мужем Холлисом Малрэем, главным инженером департамента водоснабжения Лос-Анджелеса, которого она подозревает в романе. Гиттес присутствует на публичном собрании, на котором Малрэй заявляет, что строительство новой плотины было бы небезопасно в свете катастрофического разрушения предыдущей. Гиттес следует за Малрэем, который делает несколько остановок на объектах департамента водоснабжения Лос-Анджелеса, в конечном итоге преследуя его до Тихого океана, где и Гиттес, и Малрэй становятся свидетелями большого сброса воды в океан.
На следующий день Гиттесу звонит один из его сотрудников, который нашёл Малрэя в компании молодой женщины. Гиттес фотографирует Малрэя с ней, позднее снимки публикуются в газете. Вернувшись в свой офис, Гиттес сталкивается с настоящей Эвелин Малрэй, которая угрожает подать на него в суд. Понимая, что его подставили, Гиттес предполагает, что настоящей целью является Холлис Малрэй. Гиттес едет к водохранилищу в поисках улик, но вместо этого находит своего старого знакомого, лейтенанта Лу Эскобара из департамента полиции Лос-Анджелеса. Тело Малрэя было найдено в водохранилище; по-видимому, он утонул.
Теперь, работая на Эвелин, Гиттес расследует смерть Малрэя как убийство. Он обнаруживает, что, несмотря на засуху, каждую ночь из водохранилища выбрасывается огромное количество воды. Гиттеса предупреждают начальник службы безопасности департамента водоснабжения Клод Малвихилл и приспешник, который режет Гиттесу левую ноздрю. Вернувшись в свой офис, Гиттес получает звонок от Иды Сэшнс, которая ранее выдала себя за миссис Малрэй. Она отказывается раскрывать, кто её нанял, но говорит Гиттесу проверить некрологи того дня.
Гиттес узнает, что Малрэй когда-то был деловым партнёром богатого отца Эвелин, Ноя Кросса. Гиттес встречается с ним, и тот предлагает удвоить гонорар частного детектива за поиск пропавшей любовницы Малрэя. В архиве Гиттес обнаруживает, что большая часть северо-западной части долины Сан-Фернандо недавно сменила владельца. В апельсиновой роще в долине на него нападают разгневанные землевладельцы, которые посчитали его представителем департамента водоснабжения, действиями которого они недовольны.
Гиттес делает вывод, что департамент водоснабжения осушает землю, чтобы её можно было купить по дешёвке, и что Малрэй был убит, когда раскрыл план. Из наводки Иды Сэшнс Гиттес обнаруживает, что часть собственности в долине Сан-Фернандо была куплена недавно умершим жильцом дома престарелых. Гиттес и Эвелин обманом проникают в дом престарелых и убеждаются в том, что другие сделки с недвижимостью были тайно заключены от имени ничего не подозревающих жильцов. Их визит прерывает подозрительный директор, позвонивший Малвихиллу. После побега от Малвихилла и его головорезов Гиттес и Эвелин прячутся в доме Эвелин и спят вместе. Ночью Эвелин звонят по телефону, и она должна внезапно уйти; Эвелин предупреждает Гиттеса, что её отец опасен. Гиттес следует за машиной Эвелин к дому, где видит, как та утешает любовницу Малрэя. Он обвиняет Эвелин в том, что она держит женщину в плену, но она утверждает, что это её сестра.
На следующий день анонимный звонок приводит Гиттеса в квартиру Иды Сэшнс, где он находит её тело. Лейтенант Эскобар, который ждёт там, говорит, что в лёгких Малрэя обнаружена солёная вода: это указывает на то, что он не утонул в водохранилище с пресной водой. Эскобар подозревает, что Эвелин убила его, и говорит Гиттесу быстро доставить её. В особняке Малрэев Эвелин нет, а слуги собирают вещи в доме. Гиттес обнаруживает, что в садовом пруду солёная вода, и замечает в нём очки. Он встречается с Эвелин и интересуется девушкой Малрэя. Эвелин признаётся, что её зовут Кэтрин, и она её сестра и дочь; отец изнасиловал Эвелин, когда ей было 15 лет. Она говорит, что найденные очки не принадлежат Малрэю, так как бифокальные очки он не носил.
Эвелин собирается бежать вместе с Кэтрин в Мексику. Гиттес вызывает Кросса в дом Малрэев, чтобы уладить их сделку. Кросс признаёт своё намерение включить северо-западную долину в состав города Лос-Анджелес, а затем орошать и развивать её. Гиттес убеждается в том, что найденные им бифокальные очки принадлежат Кроссу, и обвиняет того в убийстве Малрэя. Кросс приказывает Малвихиллу забрать бифокальные очки у Гиттеса под дулом пистолета. Затем Гиттес вынужден отвезти их в Китайский квартал, где находится Эвелин. Полиция уже там и задерживает Гиттеса. Кросс приближается к Кэтрин, называя себя её дедушкой. Эвелин стреляет ему в руку и начинает уезжать с Кэтрин. Полиция открывает огонь, убивая Эвелин. Кросс хватает истеричную Кэтрин и уводит её. Эскобар приказывает освободить Гиттеса. Один из сотрудников Гиттеса уводит его с места происшествия, говоря: «Забудь об этом, Джейк, это Китайский квартал».
По словам участников съёмочной группы порой с Романом Полански работалось очень тяжело. Один из участников съёмочного процесса вспоминал, что во время съёмок сцены в ресторане, где встречаются герои Фэй Данауэй и Джека Николсона сразу после первого дубля Полански не понравилось как один волос на голове актрисы отбрасывает блик на лицо. «Немедленно привлекли стилистов, но толку не было. Несколько ассистентов пытались решить проблему, и тоже безуспешно; тогда Полански, сухо заметив, что это „стоит ему двести долларов в минуту“, подошёл к актрисе, отыскал злополучный волосок и выдернул его. Данауэй была вне себя от ярости.» На что режиссёр ей спокойно ответил: «Ты можешь сколько угодно воевать со мной, Фэй, но я не имею права на ошибку. Я ведь режиссёр»[5].