New York, une nuit, une femme est attaquée chez elle par deux individus. Ils l'endorment au chloroforme, la noient dans sa baignoire, et lui dérobent ses bijoux. Quelques heures plus tard l'un des deux se débarrasse de l'autre. La police enquête sur le premier crime, convoque les suspects, en tient un, le surveille. Un jeune policier fait le lien entre les deux affaires.
Le film est inspiré de Naked City, premier livre du photographe ukraino-américain Weegee, spécialiste de New York, paru en 1945.
Le film tourné dans New York même, et non dans des décors de studio, tend à faire de la ville un des personnages principaux du film.
Constamment ponctué de commentaires en voix off, le film commence par un survol de la ville de jour, puis de nuit, suivi de quelques zoom sur l'activité de ses habitants à une heure donnée.
La caméra rentre ensuite par une fenêtre pour saisir la scène du drame. De là, le film décrira, avec une précision documentaire, tout le déroulement de l'enquête jusqu'à son dénouement. Sans vraiment suivre un ou des personnages, mais en observant de plus loin.
Un clin d’œil au film a été fait dans le jeu vidéo L.A. Noire, en effet « La cité sans voile » est le nom de l'une des enquêtes du jeu.
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