《小贼、美女和妙探》讲述了一个充满黑色幽默的故事。哈里（小罗伯特·唐尼饰）是个倒霉的惯偷，为了躲避警察追捕，他误闯好莱坞电影选秀片场。导演意外看中他，邀请他前往洛杉矶接受角色培训，成为一名“准演员”，饰演一名神探。剧组安排他与真正的侦探佩里（瓦尔·基尔默饰）搭档，体验真实的侦探生活。两人接手了一桩女性命案，但冷酷的佩里让哈里吃尽苦头。与此同时，哈里在派对上重逢年少时的梦中情人哈莫妮（米歇尔·莫娜汉饰）。哈莫妮在好莱坞打拼多年仍默默无闻，她的妹妹神秘自杀。为了赢得哈莫妮的心，哈里开始调查此事，逐渐发现这与他接手的命案有关，背后隐藏着一个巨大的秘密。