1947年、ジャズシンガーのビリー・ホリデイ（アンドラ・デイ）は、当時は珍しい白人と黒人が同席可能なニューヨークのクラブ“カフェ・ソサエティ”で、夜毎圧巻のパフォーマンスを繰り広げ、人気の絶頂にあった。そんな中、連邦麻薬取締局のアンスリンガー長官（ギャレット・ヘドランド）は、“人種差別撤廃を求める公民権運動を煽る”とビリーの歌『奇妙な果実』を危険視。だが、歌うだけでは逮捕できないため、ビリーを麻薬使用の罪で追い込もうと計画。黒人捜査官のジミー・フレッチャー（トレヴァンテ・ローズ）が、熱烈なファンを装ってステージに通いつめ、ビリーの身辺調査を進める。やがてビリーは、ジミーに現行犯逮捕され、裁判で懲役１年の判決を受ける。一方、麻薬から黒人社会を救う理想を掲げ、黒人初の連邦捜査官に出世したジミーだったが、母親から“あの歌を歌う勇気のある黒人は他にいない”と責められる。さらに、ビリーのスタイリストで親友のミス・フレディ（ローレンス・ワシントン）から、彼女の過酷な生い立ちを聞き、次第にその歌の魅力と人間性に心奪われていく。後悔したジミーは、アンスリンガーの指示を受けた面会で命令に反し、“今後は誰も信じないで。出所後に罠を仕掛け、また私に逮捕させる気だ”とビリーに忠告。1948年、出所後のコンサートで大成功を収めたビリーだったが、連邦麻薬取締局にニューヨークでの労働許可証を取り上げられてしまう。窮地に陥ったビリーは、ショービジネス界にコネのあるジョン・レヴィ（トーン・ベル）を頼って活動を継続するが、アンスリンガーはそのジョンを使って新たな罠を仕掛けてくる。しかし、ジミーの証言で容疑の晴れたビリーは、ジョンと手を切り、全米ツアーへ。1949年、ビリーは南部で『奇妙な果実』を熱唱し、“ＫＫＫに対抗。南部で勇気ある行動”と称えられる。焦ったアンスリンガーは、更なる罠を仕掛けてくるが……。