Film Kiss Kiss Bang Bang menceritakan tentang Harry Lockhart (Robert Downey, Jr.), seorang pencuri yang sedang berupaya melarikan diri dari kejaran polisi. Dalam usaha pelariannya ini, Harry memasuki sebuah ruangan audisi. Tanpa disangka-sangka, Harry mampu membuat para produser kagum. Harry pun menjadi seorang bintang film.
Untuk mempersiapkan perannya, Harry bertemu dengan seorang detektif Gay Perry (Val Kilmer) di sebuah pesta di Los Angeles. Harry juga bertemu temannya semasa kecil, Harmony Faith Lane (Michelle Monaghan). Gay mengajak Harry untuk menyelidiki atas permintaan salah seorang kliennya. Perry, Harry, dan Harmony justru menjadi terlibat dalam sebuah kasus pembunuhan. Mereka bertiga berusaha memecahkan kasus tersebut dan mencari pelaku pembunuhan sebenarnya.
