Crimes em Hollywood acompanha um ex-policial aposentado chamado Charlie Waldo que decide largar o trabalho e a sociedade para viver uma vida tranquila numa cabana isolada no topo da cidade de Los Angeles. Sua paz é interrompida quando Lorena (Morena Baccarin), uma detetive particular e antigo caso amoroso, pede sua ajuda na investigação de um assassinato misterioso e estranho. Obrigado a voltar à ativa, Charlie se depara com um caso em que o principal suspeito é um famoso ator de Hollywood, Alastair Pinch (Mel Gibson), acusado de matar sua esposa Mônica. Seu álibi, porém, reside no fato de que ele não se lembra de nada pois estava bêbado. Arrastado para um mundo repleto de segredos e violência, Charlie precisará reunir toda sua expertise e relembrar seu passado para reconstruir os passos desse crime e desvendar seu mistério.