Basada en hechos reales, ocurridos en los años 40, Martha Beck y Raymond Fernández formaron la pareja más buscada de América. Conocidos como "los asesinos de corazones solitarios", amantes de la mentira, el dinero fácil y el sexo escabroso, estafaban a sus víctimas y luego las mataban brutalmente. Sus objetivos eran viudas de guerra y mujeres adineradas que tenían la mala fortuna de responder a los anuncios en la prensa en los que Ray se presentaba como el amante latino ideal. En este juego mortal, Martha se hacía pasar por su hermana. Cometieron una veintena de crímenes. Lonely Hearts reconstruye estos hechos reales, a través de la historia de dos detectives de homicidios que siguen la pista a esta pareja de asesinos.
Los protagonistas de la cinta son: John Travolta, Salma Hayek, James Gandolfini, Jared Leto, Laura Dern y Scott Caan.