फिल्म की शुरुआत रेशमा (विद्या बालन) के शादी के एक दिन पहले घर छोड कर चेन्नई भागने से होती है। वह एक फ़िल्म में किरदार पाने के लिए बहुत प्रयास करती है परन्तु फ़िल्म का पात्र निर्देशक उसे बेकार और अनाकर्षित कह कर बेइज्जत कर देता है। रेशमा पुन्ह दृढ़ निश्चय से उसे मनाने जाती और आखिर कार एक साइड डांसर का किरदार हासिल कर लेती है। शूटिंग शुरू होते ही वह तुरंत मुख्य स्क्रीन पर चाबुक के साथ अश्लील और उत्तेजना पूर्ण भावों के साथ नृत्य करना शुरू कर देती है। उसकी इस हरकत से फ़िल्म निर्देशक अब्राहम (इमरान हाशमी) यह सोच कर गुस्सा हो जाता है कि उसकी फ़िल्म बनाने की कला पर्दे पर दिखनी चाहिए न की उत्तेजनापूर्ण और अश्लील सामग्री। वह रेशमा के नृत्य का पूरा हिस्सा फ़िल्म से काट देता है। फ़िल्म बॉक्स ऑफिस पर पिट जाती है जिससे निर्माता सेल्वा गणेश (राजेश शर्मा) काफ़ी नाराज हो जाता है और रेशमा को बाद में मिलकर उसे अपनी आगामी फ़िल्म में एक गाना दे देता और उसे सुझाव देता है कि अबसे वह अपना नाम सिल्क रख ले।

अपने पहले सीन में सिल्क सूर्यकांत (नसीरुद्दीन शाह) को देख कर मंत्रमुग्ध हो कर शर्मा जाती है जिससे पहला सीन बेकार होजाता है और सूर्यकांत नाराज होकर निकल जाता है। सिल्क उसे अपनी ओर आकर्षित करके मना लेती है और लंबे समय तक अनैतिक संबंध बनाए रखने का वादा करती है। दूसरी ओर अब्राहम एक नई फ़िल्म सेल्वा गणेश को सुझाता है और उसकी इच्छा सूर्यकांत को मुख्य भूमिका में लेने की होती है। सूर्यकांत अब्राहम को फ़िल्म में मसाला और सेक्स डालने को कहता है (सिल्क की ओर इशारा करते हुए) ताकि फ़िल्म अच्छा व्यवसाय कर सके। इससे अब्राहम और गुस्सा हो जाता है और सिल्क से नफ़रत करने लगता है। दूसरी ओर सिल्क को इस बात पर विश्वास है कि फिल्में मनोरंजन के लिए होती है और वह अपना काम जारीरखती है। वह सूर्यकांत के साथ कई उत्तेजनापूर्ण फ़िल्मों में काम करती है व अपने नृत्य से पुरुष वर्ग में काफ़ी लोकप्रिय हो जाती है और एक मशहूर और अमिर दक्षिणात्य सेक्स अभिनेत्री बन जाती है।

सूर्यकांत का छोटा भाई और बेनाम लेखक रमाकांत (तुषार कपूर) खुलासा करता है कि वह सिल्क का प्रशंसक है और उससे दोस्ती करने की कोशिश करता है। सिल्क इस बात से खुश होती है कि आखिर कोई उसे उसके शारीर को नहीं बल्कि उसे पसंद करता है। वे दोनों सिल्क के पुराने घर जाते है जहाँ सिल्क की माँ हमेशा के लिए उससे सरे रिश्ते तोड़ लेती है। एक पुरस्कार समारोह में सिल्क को उसके कार्य के लिए पुरस्कृत किया जाता है परन्तु सूर्यकांत उसे दूसरों का 'डर्टी सीक्रेट' कह कर बदनाम कर देता है। सिल्क घोषणा करती है कि वह अपनी 'डर्टी पिक्चर' बनाना जारी रखेगी और उसे इसमें कोई शर्म नहीं है।

सिल्क रमाकांत के साथ ज्यादा समाया व्यतीत करने लगती है जो अब उससे प्यार करने लगता है। वह उसे लेखक के तौर पर उभरने को कहती है और उसके बड़े भाई के फ़िल्म करिअर की छाया से बहार निकलने की सलाह देती है। उनके इस सम्बन्ध को एक बढ़िया खबर मान कर एक पत्रकार नैला (अंजू महेन्द्रू) सिल्क को दोनों भाइयों के साथ सम्बन्ध रखने के लिए बदनाम करती है। सूर्यकांत आखिरकार सिल्क को अपनी फ़िल्मों में से हटा देता है जिससे वह छोटे फ़िल्म निर्मातओं के साथ काम करने के लिए मजबूर हो जाती है। अपने इस काम से नाखुश और बोर होकर वह काम करने की इच्छा खो देती है जिसके चलते दूसरे निर्माता उसे और बदनाम करने लगते है। बाद में रमाकांत की नई फ़िल्म की लॉन्च पार्टी में सिल्क एक उभरती अदाकारा शकीला से मिलती है। उससे जलन के कारण वह उसे अपमानित करती है और नृत्य करने ने लिए उकसाती है। नृत्य के अंत में सिल्क जानबूझ कर शकीला को गिरा देती है और यह दिखाती है कि उसे कोई हरा नहीं सकता। सिल्क के इस बर्ताव से शर्मिंदा होकर रमाकांत उससे रिश्ता तोड़ लेता है।

सिल्क की जिंदगी बिखरने लगती है। समीक्षक और महिलावर्ग उसे बदनाम करने लगते है। वह शराब और धूम्रपान की लत का शिकार हो जाती है और वजन बढ़ने लगता है। निर्देशक उसे अपनी फ़िल्मों में लेना बंद कर देते है। वह सेल्वा गणेश के पास एक फ़िल्म बनाने आ आग्रह करती है जो बुरी तरह पिट जाती है जिसके चलते वह अपनी दौलत और शौहरत दोनों गँवा बैठती है। इसके साथ-साथ अब्राहम भी एक फ़िल्म रिलीज करता है जिसमें वह स्वयं मुख्य भूमिका निभाता है और फ़िल्म सफल हो जाती है। अपनी सफलता, सिल्क की नाकामयाबी और दोनों के बीच बातचीत के चलते अब्राहम को यहाँ अहसास होता है कि वह सिल्क से प्यार करने लगा है। खुद को उसके बारे में सोचने से रोक न पाने के कारण वह सिल्क के घर जाता है जहाँ दोनों सिल्क की जिंदगी के बारे में बात करते है। उस वक्त तक सिल्क बहुत बड़े कर्ज तले दबी होती है और मजबूर होकर एक छोटे फ़िल्म निर्माता के पास काम माँगने जाती है जिससे वह रमाकांत की पार्टी में मिली थी। वहां जाकर उसे धक्का लगता है कि वह उसे एक अश्लील फ़िल्म में लेना चाहता है और इससे पहले की वह विरोध करे वह उसे शराब के नशे में धुत्त करके चित्रीकरण शुरू कर देता है। जल्द ही उस जगह पर पुलिस छापा मार देती है पर सिल्क सबके साथ बच निकलने में कामयाब हो जाती है। वह किसी तरह अपने घर पहुंचती है जहां उसे अपनी छवि पर शर्म आती है।

दूसरी ओर अब्राहम सिल्क की माँ को ढूंढ निकालता है और उन्हें लेकर सिल्क को अगली सुबह मिलाने की सोचता है। पर उसी रात जब वह सिल्क को अपनी एक पार्टी से फोन करता है तो सिल्क उसे अपनी तरफ से सबको अलविदा कहने को कहती है। अब्राहम को शक हो जाता है और वह सिल्क के घर की ओर दौड पड़ता है जहा उसे सिल्क लाल रंग की साड़ी में भारतीय मेक-अप के साथ मरी हुई मिलती है। अपनी नाकामियाबी के चलते सिल्क नींद की गोलियां खा कर आत्महत्या कर लेती है। अंत में अब्राहम और उसकी माँ उसका अंतिम संस्कार करते है।

पूरी कहानी अब्राहम भूतकाल में सुना रहा होता है, जो अकेला ऐसा इंसान था जो सिल्क का दर्द, उसकी ख्वाहिशें, उसके सपने, उसकी मेहनत और उसके पीछे का अँधेरा समझ सका था जो उसके उदय और पतन के पीछे छिपा हुआ था।


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