The Nice Guys si conclude con gli investigatori privati Jackson Healy e Holland March che decidono di aprire la loro agenzia investigativa denominata: The Nice Guys.
Los Angeles, 1977. Dopo la morte di sua moglie, l’investigatore privato Holland March (Ryan Gosling) è entrato in una crisi profonda. Viene assunto dalla signora Glenn (Lois Smith) per indagare sulla propria nipote, la pornostar Misty Mountains (Murielle Telio), deceduta qualche giorno prima, ma che lei crede ancora viva. L’uomo accetta l’incarico e si mette sulle tracce di una ragazza scomparsa di nome Amelia Kuttner (Margaret Qualley).
La ragazza, che non vuole farsi trovare, assolda il picchiatore Jackson Healy (Russell Crowe) affinché si liberi dell’ investigatore. Dopo una scazzottata tra i due, Healy viene avvicinato dai gangster Blue Face (Beau Knapp) e il Vecchio (Keith David) che gli intimano di lasciar perdere la storia.
A questo punto è Healy a chiedere aiuto a March per rintracciare Amelia e salvarla. Dopo aver ricevuto alcune informazioni da Chet (Jack Kilmer) – un amico della giovane – riguardo al fatto che Amelia stesse lavorando ad un film porno insieme a Misty, la coppia si reca ad una festa privata per rintracciarne il produttore. Nel frattempo, la figlia di Holland, Holly (Angourie Rice), viene catturata dai gangster. Riuscita a scappare, la ragazza viene inseguita da Blue Face, il quale rimarrà vittima di un incidente stradale. Raggiunto da Healy, il criminale rivela che il loro capo ha ingaggiato un sicario di nome John Boy (Matt Bomer) per eliminare tutti i testimoni della vicenda.
Healy uccide Blue Face, ma lo nasconde a March. Insieme, allora, vengono assunti dalla madre di Amelia, Judith Kuttner (Kim Basinger). Nel frattempo, presso un motel, la ragazza ha un incontro con i distributori della pellicola, che verranno uccisi dal killer. Salvata dagli investigatori, Amelia rivela la verità. Ovvero che aveva realizzato il suddetto film, spacciandolo come porno, per smascherare il patto criminale stipulato tra il dipartimento di giustizia (dove lavora sua madre) e un’organizzazione di case automobilistiche di Detroit. Entrambe le parti in causa, infatti, si erano messe d’accordo per eliminare un convertitore catalitico.
Utilizzando Holly come diversivo, il sicario cerca di attirare il trio, ma viene messo in fuga. A causa della sua impazienza, Amelia fugge di nascosto, venendo uccisa poco dopo da John Boy.
Jackson e Holland portano la vicenda in tribunale, ma devono arrendersi per mancanza di prove. Si mettono allora sulle tracce del film inchiesta, scoprendo che sarà proiettato durante il Los Angeles Auto Show. Arrivati all’hotel dove si tiene il festival, i due si imbattono in John Boy, nel Vecchio e in alcuni sgherri della casa automobilistica.
I due riescono a eliminare tutti e a far sì che la pellicola sia proiettata. Tuttavia, ciò porta solamente all’arresto di Judith. Jackson e Holland continuano a lavorare insieme e fondano la loro agenzia.
