Seitdem Dwight (Josh Brolin) vor einigen Jahren das Leben von Miho (Jamie Chung) rettete, will er sich jeglichen Ärger vom Leib halten - bis ihn seine schöne Ex-Freundin Ava (Eva Green) kontaktiert, die ihm einst das Herz brach und mit einem anderen durchbrannte. Doch nun fleht Ava Dwight um Hilfe an, weil sie von ihrem Ehemann Damien Lord (Marton Csokas) brutal misshandelt und dem skrupellosen Chauffeur Manute (Dennis Haysbert) überwacht wird. Dwight beschließt, ihr zu helfen, muss aber nach kurzer Zeit feststellen, dass man in einer Stadt wie Sin City selbst einer Dame in Not nicht vertrauen kann...

Gleichzeitig erwacht Marv (Mickey Rourke) eines Morgens zwischen mehreren toten Jugendlichen. Dabei wollte er in der vorherigen Nacht doch nur der schönen Stripperin Nancy (Jessica Alba) beim Tanzen zusehen. Marv begibt sich tief ins Herz des Molochs, um herauszufinden, was geschehen ist.

Johnny (Joseph Gordon-Levitt), ein übermütiger Spieler, plant währenddessen, den mächtigsten Mann Sin Citys, Senator Roark (Powers Boothe), zu besiegen und lächerlich zu machen. Doch legt er sich dabei mit den falschen Leuten an...

Nancy Callahan kann unterdessen den Tod ihrer einzigen Liebe, John Hartigan (Bruce Willis), noch immer nicht verkraften und versucht, durch blutige Rache damit fertigzuwerden.