Fred Madison, saxophoniste, soupçonne sa femme, Renee, de le tromper. Il la tue et est condamné à la peine capitale. Le film raconte l'histoire de cet assassinat du point de vue des différentes personnalités de l'assassin lui-même.

Le corps nu d'une jeune étudiante est retrouvé emballé dans un plastique transparent, au bac d'un lac à Twin Peaks, petite ville de l'état de Washington. La jeune lycéenne assassinée est âgée de 17 ans, elle s'appelle Laura Palmer. Dale Cooper, agent du FBI, est envoyé sur place pour mener l'enquête. La découverte du meurtre va bouleverser la vie paisible des 51 201 habitants de la petite ville, au coeur de laquelle une multitude de personnages et de destins vont se croiser et composer les pièces d'un puzzle impressionnant, et dessiner le terrain d'un combat entre le bien et le mal.