En 1945, le tueur de la dame du lac assassine deux femmes et jette leurs corps à Echo Park. Malgré une chasse à l’homme acharnée menée par Andrew Henry, le tueur n’est jamais retrouvé.
En 1947, après un an sans piste, Dottie Underwood refait surface sur le radar de la Section Scientifique de Réserve. Lorsqu’elle tente de cambrioler la Bowery Savings Bank, elle tombe dans une embuscade tendue par Peggy Carter et Jack Thompson. Après un long combat, Underwood est placée en garde à vue. Carter veut savoir pourquoi Underwood a tenté de dérober une épingle de revers conservée dans un coffre. Deux agents de la SSR commentent à quel point Carter est impressionnante et soulignent qu’elle est la seule capable de faire craquer Underwood. Amer face à cette admiration, Thompson envoie Carter à Los Angeles lorsque Daniel Sousa, chef de la nouvelle antenne Côte Ouest de la SSR, lui demande de dépêcher un agent en renfort. Carter partie, Thompson reprend l’interrogatoire d’Underwood.
À son arrivée à Los Angeles, Carter retrouve Edwin Jarvis, qui lui explique que Howard Stark s’est installé sur la Côte Ouest après avoir décroché un contrat de défense. Comme il apprécie Los Angeles, il y a ouvert une nouvelle propriété et est en train de créer ses propres studios de cinéma. Pour cette raison, Jarvis s’est lui aussi installé à Los Angeles, où il gère la propriété de Stark, ainsi que ses invités, Carter et son flamant rose Bernard Stark.
L’affaire sur laquelle enquête Carter concerne Jane Scott, une scientifique employée par Isodyne Energy, retrouvée congelée à Echo Park. La SSR est chargée de comprendre pourquoi la femme et le lac sont gelés en pleine canicule. Carter fait son rapport à Sousa, mais la tension est vive. Les deux avaient tenté de vivre une relation, mais lorsqu’il a été muté en Californie, Sousa a perdu le contact avec Carter. Le détective Henry, qui souffre d’un rhume d’été, les assiste. Tous trois se rendent au siège d’Isodyne Energy après avoir vu le corps luire et découvert que le phénomène a été provoqué par un accélérateur de particules appartenant à Isodyne Energy. Carter se faufile devant la réceptionniste et rencontre Jason Wilkes, un scientifique de l’entreprise. Il accepte de l’aider dans son enquête, car Carter ne le laisse pas indifférent.
Wilkes confie à Carter que Calvin Chadwick, son patron, aurait eu, selon les rumeurs, une liaison avec Scott, mais Carter est ensuite repérée et mise à la porte. Chez Stark, Carter rencontre enfin Ana Jarvis, qui prépare une nouvelle tenue pour elle. Carter et Jarvis suivent la piste de Wilkes jusqu’à l’hippodrome. Lorsque Carter s’adresse à Chadwick, celui-ci refuse de coopérer, d’autant que son épouse, la célèbre actrice Whitney Frost, se trouve à proximité. Les agents de la SSR, Wilkes et Henry retournent voir Meltzer pour connaître l’avancement de l’autopsie, mais le trouvent mort de froid. Pendant ce temps, à New York, Vernon Masters place Underwood sous la garde du FBI. Il dit à Thompson, qui était près de découvrir la vérité grâce à Underwood, qu’en tant qu’ami de son père et de lui, il souhaite qu’il cherche du travail ailleurs, car les derniers jours de la SSR approchent.
Sousa et Carter trouvent le rapport d’autopsie de Meltzer, qui indique que la femme a été poignardée et que ses chaussures ont été changées après sa congélation, un détail que seuls le tueur et la police connaissaient. Henry tombe de plus en plus malade et, lorsqu’il gèle l’eau d’une fontaine, il enlève Wilkes, qui l’a remarqué, afin d’obtenir un remède. Sousa et Carter poursuivent le policier devenu fou, qui avait été engagé pour faire disparaître le corps de Scott et s’est servi de l’affaire classée du tueur de la dame du lac pour couvrir son crime. Henry est abattu par un autre agent, alors que Sousa et Carter avaient expressément interdit l’usage des armes à feu, la SSR le voulant vivant pour l’interroger.
Sousa ordonne que le corps soit transféré le lendemain matin à l’agence théâtrale Auerbach pour déterminer plus précisément de quoi souffrait Henry. Wilkes invite Carter à dîner, mais elle décline. De retour à l’agence, Carter propose à Sousa d’aller prendre un verre, mais il refuse. Carter le regarde ensuite saluer affectueusement une femme à l’extérieur. Son humeur s’améliore toutefois lorsque Jarvis arrive, prêt à la raccompagner chez elle. Plus tard, l’agent qui a tué Henry est payé par Chadwick et Frost. Ensuite, Wilkes observe une substance noire qui se tord et se déplace dans un grand cylindre de verre.
Le titre est une référence au roman policier de Raymond Chandler paru en 1943, La Dame du lac.