Un agent du FBI se rend à Twin Peaks, une petite ville du fin fond des Etats-Unis en apparence paisible, pour enquêter sur le meurtre d'une jeune femme.
Les habitants de la petite ville de Twin Peaks semblent mener une vie paisible jusqu'au jour où le corps de Laura Palmer, 17 ans, est retrouvé sur la berge d'un lac, enveloppé dans un sac plastique. Peu après, Ronette Pulaski, une autre lycéenne, est aperçue en train d'errer sur la voie ferrée. Elle a été battue et violée pendant la nuit. L'agent du FBI Dale Cooper est envoyé sur les lieux du crime pour mener l'enquête. Il ne tarde pas à établir un lien entre la mort de Laura Palmer et le meurtre de Teresa Banks, commis dans la région un an auparavant. Un minuscule morceau de papier, portant la lettre «R», enfoncé sous l'ongle de la jeune fille, semble confirmer cette théorie...