Babilônia segue grandes atores do cinema mudo no final da década de 1920, justamente quando o cinema passa a ser falado. Em 1926, o imigrante mexicano Manny (Diego Calva), ajuda a transportar um elefante para a festa do executivo da Kinoscope Studios. Lá, conhece a atriz Nellie LaRoy (Margot Robbie) e também a atriz Jane Thornton. Durante a festa, Manny passa a ver outros atores em suas versões menos glamorosas. Nellie acaba sendo recrutada para substituir Thornton na Kinoscope e rapidamente começa a ser a nova "it girl" de Hollywood, aparecendo em inúmeros filmes e sendo a mais amada. Manny também não é esquecido, ele consegue rapidamente ultrapassar atores mais consagrados com a chegada dos filmes falados, já que muitos outros não conseguiram se adaptar a nova mudança. Já Nellie, mesmo sendo uma das atrizes mais famosas de Hollywood, ela acaba se virando para as drogas com as altas demandas de seus produtores.