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Inland Empire, un quartier de Los Angeles proche du désert californien... Nikki est actrice et vient de se voir offrir le rôle principal dans le remake d'un mystérieux film qui n'a jamais pu être achevé. Sur le tournage, elle rencontre Devon qui incarne l'amant de son personnage. Mais très vite la passion déborde de la pellicule sur la vie réelle... ou est-ce l'inverse ?