Ein Mann (Rufus Sewell) erwacht in der Badewanne eines billigen Hotelzimmers, in dem die Leiche einer nackten Frau liegt. Offenbar wurde sie ermordet. Im Spiegel bemerkt er, dass ihm ein wenig Blut von der Stirn rinnt. Auf einem Koffer liest er die Initialen KH. Er zieht sich hastig an und verlässt das Hotel. Der Hotelier, der ihn mit „Mr. Murdoch“ anspricht, teilt ihm mit, man habe seine Brieftasche in einem Automatenrestaurant gefunden und macht ihn darauf aufmerksam, dass die drei Wochen, für die er bei der Ankunft bezahlte, „seit zehn Minuten“ um sind.

Murdoch kann sich an nichts erinnern. Er läuft durch die nächtlichen Straßen, holt seine Brieftasche, geht mit einer Prostituierten, verlässt sie jedoch, während sie sich auszieht. (Sie wird bald darauf ermordet.) In der Brieftasche findet er eine Adresse. Die Schlüssel in seiner Hosentasche passen an der Wohnungstür. Er sperrt auf und wird von einer Frau begrüßt, die ihn „John“ nennt. Er ist offenbar John Murdoch, und vor ihm steht seine Ehefrau Emma (Jennifer Connelly). Vor drei Wochen, behauptet sie, habe er sie im Streit verlassen, weil sie eine Affäre mit einem anderen Mann hatte. Sein Psychiater Dr. Daniel Schreber (Kiefer Sutherland) mache sich Sorgen um ihn und wolle ihn sofort sprechen.

Dr. Schreber hilft Außerirdischen, deren Art vom Aussterben bedroht ist. Sie möchten das Wesen des Menschen verstehen, weil sie hoffen, mit diesem Wissen ihren eigenen Untergang aufhalten zu können. Schreber hat die unterschiedlichsten menschlichen Erfahrungen destilliert und daraus Cocktails gemixt, die er Einzelnen mit einer Spezialpistole ins Gehirn injiziiert. Dadurch werden ihre Erinnerungen durch andere ersetzt. Jede Nacht um 12 Uhr führen die Aliens ein „Tuning“ durch: Sie halten die Uhren an; da bleiben Autos und Züge stehen, die Menschen erstarren. Allein mit ihrer Willenskraft bauen die Außerirdischen die Stadt um, verrücken bestehende Gebäude und errichten neue Wolkenkratzer. Dann kommen die Menschen mit manipulierten Identitäten und Erinnerungen wieder zu sich. Ein Schichtarbeiter, der mit seiner Frau zu Abend isst, erwacht als Unternehmer, und aus der Mietwohnung ist eine mondäne Villa geworden. Die Bürger der Stadt merken nichts davon, ahnen nichts von den Außerirdischen, die in die Leiber von Toten geschlüpft sind und ihre leichenblaßen Körper in schwarze Mäntel hüllen. Den Menschen wird nicht bewusst, dass es keine Wege aus der Stadt gibt und es immer nur Nacht ist, weil Licht die Aliens zerstören würde.

John Murdoch fällt während des Tunings ebensowenig in Schlaf wie die Außerirdischen. Als Dr. Schreber ihm die Injektion verabreichte, schlug er ihm die Spritze aus der Hand. Aufgrund der vorzeitig abgebrochenen „Prägung“ widersteht er nicht nur dem Tuning, sondern kann durch seine Willenskraft Materie verändern, zum Beispiel durch nur sekundenlang existierende Türen gehen. Die Aliens sehen deshalb in ihm eine Gefahr für ihr Experiment. Um auf seine Spur zu kommen, zwingen sie Dr. Schreber, Johns aufbewahrte Erinnerungen einem der ihren zu injizieren.

Aber auch Polizeiinspektor Bumstead (William Hurt) verfolgt John Murdoch. Er soll nicht nur das Mädchen im Hotelzimmer, sondern ein halbes Dutzend Prostituierte ermordet haben.
Auf der Flucht vor den Außerirdischen und der Polizei und der Suche nach seiner Identität stößt John Murdoch immer wieder auf Werbeplakate für einen hellen Strand: „Shell Beach“. Sein Onkel Karl Harris (John Bluthal), von dem wohl der Koffer im Hotelzimmer stammte, erzählt bereitwillig, John sei nach dem frühen Tod seiner Eltern bei ihm aufgewachsen. Auf Dias zeigt er ihm, wie er als Kind vergnügt an einem Strand herumlief. Am Arm des Jungen entdeckt John eine Narbe, die seiner nicht aufweist. Sind auch die Erinnerung des Onkels gefälscht? Wem kann er trauen? Kann er sich überhaupt auf sich selbst verlassen, wo doch offenbar auch sein Gehirn manipuliert wurde?

Im Verlauf seiner Odysee gelangt John Murdoch ans Ende von Dark City: eine Mauer, auf der ein Plakat von Shell Beach klebt. Er reißt das Plakat ab und zertrümmert die Wand. Licht flutet herein und tötet seine außerirdischen Verfolger. John geht auf einen Steg hinaus und blickt übers Meer. Emma tritt wie eine Fremde neben ihn. Er fragt, ob sie wisse, wo Shell Beach liegt. Sie deutet auf einen Strand. Sie sei ebenfalls auf dem Weg dorthin, sagt sie, und begleitet ihn.