„Било једном… у Холивуду“ права је холивудска прича о једном глумцу и његовом двојнику који крећу на пут како би пронашли своје место под сунцем у филмској индустрији. Њихово путовање одвија се на врхунцу хипи Холивуда, давне 1969. године у ЛА-у. Главни ликови у филму Рик Далтон, бивша звезда једне вестерн ТВ серије и његов дугогодишњи двојник Клиф Бут у време задњих трзаја златног Холивуда боре се за свој успех у светској престоници филмске индустрије коју више не препознају. Али Рик има популарну комшиницу – Шерон Тате.

Кол (Еванс) се заљубљује у загонетну Сејди (де Армас), али убрзо сазнаје да је она тајни агент. Пре него што се одлуче за други састанак, Кол и Сејди крећу у међународну авантуру да спасу свет...