Het verhaal van L.A. Noire speelt zich af aan het eind van de jaren ’40 in Los Angeles, nog voordat er snelwegen waren. Naoorlogse corruptie, drugs en jazz waren in die tijd alom vertegenwoordigd en die zaken bepalen dan ook de achtergrond van de game voor een belangrijk deel.

L.A. Noire combineert achtervolgingen, schietgevechten, onderzoek en een complexe verhaallijn om de speler in de game te trekken. In dit verhaal, dat een open einde heeft, is het aan de speler om een aantal brute moorden op te lossen. Dit doet hij onder andere door plaatsen delict te onderzoeken, op zoek te gaan aanwijzingen en bewijsmateriaal en mensen te ondervragen.

Het spel maakt gebruik van een speciale techniek die de gezichten van acteurs natuurgetrouw overzet naar de game. Zo kan een speler het gezicht van een gesprekspartner bij een ondervraging goed analyseren om te bepalen of hij de waarheid spreekt of liegt. Ook kan het gedrag van zo iemand aanwijzingen geven voor hoe hij het beste aangepakt kan worden. De ene persoon breekt wanneer je hem onder druk zet, een ander moet juist met fluwelen handschoenen aangepakt worden.