El detective salvaje arranca con la visita de una mujer a un detective privado: Phoebe Siegle, una sarcástica neoyorquina, se presenta en la destartalada caravana de Charles Heist, en las afueras de Los Ángeles, para que le ayude a encontrar a Arabella, la hija desaparecida de su amiga. Las únicas pistas que puede darle son una estrafalaria comunidad budista en California y Leonard Cohen, con quien la chica está obsesionada. Heist, un solitario de pocas palabras que como mascota tiene una zarigüeya en el cajón de su escritorio, aceptará de inmediato a la exuberante y habladora Phoebe como compañera. La insólita pareja se embarcará en un viaje entre los vagabundos de las afueras de Los Ángeles y por los parajes más inhóspitos del desierto de Mojave, donde habitan unas extrañas sociedades fuera de toda ley y orden.