Basin City, surnommée « Sin City », est la ville du vice et du péché. Dans cette métropole détruite par le crime évoluent trois personnages atypiques et marginaux : Marv (Mickey Rourke), un colosse tout juste sorti de prison ; Dwight McCarthy (Clive Owen) un homme à femmes au passé trouble ; John Hartigan (Bruce Willis), l'un des seuls policiers intègres de la ville.

Tout commence lorsqu'un homme (Josh Hartnett) rencontre une jeune femme (Marley Shelton) sur une terrasse. Il la charme en lui proposant une cigarette puis l'abat froidement. L'homme était en réalité un tueur à gages.

Hartigan, approchant de la retraite, traque Roark Jr (Nick Stahl), le fils d'un sénateur mais aussi un dangereux pédophile. Il vient d'enlever Nancy Callahan (Mackenzie Vega), une enfant de 11 ans. Après avoir assommé Bob (Michael Madsen), son coéquipier ripoux, Hartigan élimine les complices de Roark et coince celui-ci sur les quais. Là, il lui arrache l'oreille et l'avant-bras avec son revolver, avant de le priver de son sexe, son « arme la plus précieuse ». Hartigan est ensuite abattu par Bob, et laissé pour mort.
Johnny Depp devait faire partie d'une histoire du film, basée sur le volume L'Enfer en retour. Mais Robert Rodriguez décida finalement de ne pas l'inclure.

Le rôle de John Hartigan a été proposé à Michael Douglas, alors que Christopher Walken et Willem Dafoe se sont vus proposer le rôle du Sénateur Roark. Robert Rodriguez a demandé à Steve Buscemi, qu'il a dirigé dans Desperado et Spy Kids 2, d'incarner Roark Jr quand il se « transforme » en Yellow Bastard, mais il n'a pas accepté.

Leonardo DiCaprio a refusé le rôle de Roark Jr alors que Kate Bosworth était le 1er choix pour le rôle de Gail. Anthony Michael Hall a été envisagé pour le rôle de Dwight, alors que Michael Madsen a failli jouer Marv mais est finalement Bob. Adrien Brody a auditionné pour le rôle de Jackie Boy.

Pour le rôle de Lucille, les noms de Uma Thurman, Sarah Jessica Parker, Ashley Judd, Carrie-Anne Moss et Naomi Watts ont circulé, avant que Carla Gugino ne soit choisie.

Le film a été tourné dans les studios de Rodriguez à Austin au Texas. Tout a été tourné sur fonds verts, avec seulement quelques accessoires réels.

Certains acteurs ont tourné des scènes séparément, comme par exemple la scène dans laquelle Marv affronte Kevin. Cela a notamment permis d'organiser particulièrement le tournage. Ainsi, Brittany Murphy n'a eu qu'un seul jour de tournage alors qu'elle apparaît dans plusieurs scènes.

Quentin Tarantino est venu rendre visite à l'équipe le temps d'une journée. Il a dirigé la scène en voiture entre Clive Owen et Benicio del Toro. Cette participation a rapporté au réalisateur 1 $ car Robert Rodriguez avait composé des morceaux pour la B.O. de Kill Bill volume 2 pour 1 dollar symbolique.

La scène d'introduction avec Marley Shelton et Josh Hartnett a été tournée en un jour, avant que Frank Miller ne donne son accord. Cette scène devait le convaincre d'accepter le projet de Rodriguez.

Robert Rodriguez prend également la décision de faire figurer Frank Miller au générique en tant que coréalisateur. Pour cela, il est obligé de quitter la Directors Guild of America, ce qui lui fit perdre le droit de réaliser le film John Carter from Mars, d'après Edgar Rice Burroughs, pour lequel il avait pourtant signé.