L'Ange Noir commence alors que nous zoomons sur un immeuble chic à Los Angeles où Marvis Marlowe (Constance Dowling) se prépare et réprimande sa femme de chambre pour avoir mis la mauvaise musique sur le phonographe. L'enregistrement de la chanson "Heartbreak" lui rappelle son mari musicien Martin Blair (Dan Duryea) qui a écrit la chanson et se tient en bas, empêché d'entrer par le portier. Lorsque Martin voit le portier laisser Marko (Peter Lorre) monter à l'appartement de Marvis, il abandonne et s'en va. Martin et Marvis étaient mariés à un moment donné mais maintenant elle refuse de le rencontrer, ce qui provoque des réactions émotionnelles si fortes chez Martin qu'il se lance dans une beuverie avant d'aller à son travail actuel de pianiste au Als Place, un bar local.
Lorsque le meilleur ami de Martin et concierge arrive, il emmène le musicien malheureux et le enferme dans son appartement pour qu'il se repose. Pendant ce temps, Kirk Bennett (John Phillips) se rend à l'appartement de Marvis et découvre la femme fatale morte sur le sol et la présence apparente de quelqu'un sortant de l'appartement. Kirk est retenu pour le meurtre dans l'affaire menée par le détective Capt. Flood (Broderick Crawford) qui ne trouve qu'un broche en forme de cœur manquante dans l'appartement de la femme morte.
Après un procès, Kirk Bennett est reconnu coupable et condamné à mort. La femme de Kirk, Catherine Bennett (June Vincent), entre en action croyant que son mari est innocent du meurtre. Elle retrouve Martin et le confronte à propos de ses actions la nuit où son ex-femme a été assassinée. Catherine est consternée lorsqu'elle apprend l'alcoolisme de Martin et sa vulnérabilité émotionnelle évidente par rapport à sa femme assassinée, mais ce qui la convainc vraiment de son innocence, c'est qu'il était enfermé dans son appartement au moment du meurtre.
Martin décide d'aider Catherine car il se souvient que Marko est entré dans l'appartement et pense qu'il pourrait être le meurtrier. Martin et Catherine élaborent un plan pour obtenir un emploi au Rios, le club que possède Marko, dans l'espoir d'obtenir plus d'informations sur Marko qui pourraient prouver l'innocence du mari de Catherine. Ils commencent à trouver des indices sur la relation de Marko avec Marvis, dont beaucoup sont sécurisés dans un coffre-fort du night-club.
Pendant ce temps, Martin a développé un véritable lien avec June et lui avoue ses sentiments, mais lorsqu'elle le rejette en raison de sa conviction déterminée de l'innocence de Kirk, Martin se lance dans une beuverie. Lorsque Martin voit une femme portant la broche manquante de Marvis, il réalise que dans un état d'ébriété antérieur, il la lui avait donnée, et les détails du meurtre deviennent lentement clairs.