À Twin Peaks dans l'État de Washington en 1989, le corps de Laura Palmer, une jolie lycéenne connue et aimée de tous, est retrouvé emballé dans un sac en plastique sur la berge d'une rivière par Pete Martell. Le méticuleux agent spécial du FBI Dale Cooper est désigné pour mener l'enquête. Il découvre alors que Laura Palmer n'était pas celle que l'on croyait et que de nombreux habitants de la ville ont quelque chose à cacher.