In „Sin City“ wird dem Zuschauer keine klare Geschichte im eigentlichen Sinn vorgesetzt. Die Handlung unterteilt sich in mindestens drei verschiedene Episoden, die obendrein noch durcheinander gewürfelt werden. Los geht es mit Hartigan (Bruce Willis), einem Polizisten der alten Schule, für den Moral und Anstand noch keine Fremdwörter sind. Einen Tag vor seiner Pensionierung entführt der durchgeknallte Kinderschänder und Mörder Roark jr. (Nick Stahl) die elfjährige Nancy (Makenzie Vega, später: Jessica Alba). Hartigan stellt den Peiniger des kleinen Mädchens und schießt ihn nieder. Dumm nur, dass sein Partner Bob (Michael Madsen) korrupt und Roark jr. der Sohn des örtlichen Senators (Powers Boothe) ist...

Dann wird diese Episode jäh unterbrochen. Weiter geht es mit Marv (Mickey Rourke), einem Bär von einem Mann. Seine pure Anwesenheit in einem Raum lässt die stärksten Männer vor Angst erstarren. Seine Hände sind todbringende Waffen. Viele Freunde hat dieser moderne Gladiator nicht. Nur die attraktive Goldie (Jamie King) lässt sich mit ihm ein. Wie er zu diesem Glück kommt, ist ihm selbst nicht klar. Doch Marvs Liaison mit Goldie ist nur von kurzer Dauer. Nach einer heißen Liebesnacht wacht er auf. Neben ihm der leblose Körper von Goldie. Sie wurde ermordet! Schnell ist klar, dass Goldie bei ihm Schutz suchte. Aber vor wem? Er schwört Rache! Seine Nachforschungen führen ihn zur verlassenen Farm von Kevin (Elijah Wood), wo er eine grausige Entdeckung macht…

In der dritten Episode steht Dwight (Clive Owen) im Mittelpunkt des Geschehens. Wenn es in „Sin City“ überhaupt so etwas wie einen Gentleman gibt, dann ist er es. Die Kellnerin Shellie (Brittany Murphy) wird von Jack (Benicio Del Toro) und seiner Gang bedroht. Für Dwight ist klar, dass er eingreifen muss. Er verpasst Jack eine deftige Abreibung. Aber damit beginnen die Probleme erst. Jack ist so erbost, dass er direkt nach Old Town – das Rotlichtviertel von „Sin City“ – fährt. Als er dort gegen die junge Prostituierte Becky (Alexis Bledel) handgreiflich wird, ist sein Leben verwirkt. Die Frauen von Old Town sind bekannt dafür, dass sie sich so etwas nicht gefallen lassen. Allen voran deren Anführerin Gail (Rosario Dawson) und die Schwert schwingende Rache-Göttin Miho (Devon Aoki). Doch das war ein Fehler. Jack war ein Cop! Dwight sieht nur eine Möglichkeit: Wenn er die Frauen von Old Town vor der Rache der Gesetzeshüter retten möchte, muss er die Leiche verschwinden lassen… Danach geht es noch einmal zurück zur Hartigan-Episode. Gemeinsam haben die einzelnen Abschnitte von „Sin City“ nur eines: Kadie’s Bar in Old Town. Hierhin verschlägt es jeden der verschiedenen Protagonisten mindestens einmal. Auch The Man (Josh Hartnett) sollte noch erwähnt werden. Mit zwei Mini-Auftritten am Anfang und am Ende von „Sin City“ sorgt er für eine gewisse Konstante.