En 1933, en pleine Grande Dépression, le braqueur de banques John Dillinger devient la cible prioritaire du FBI après avoir été soupçonné d'implication dans le massacre de Kansas City. L'agent fédéral Melvin Purvis, animé d'une volonté de vengeance quasi personnelle, se lance dans une traque acharnée contre Dillinger et sa bande de malfaiteurs, parmi lesquels Pretty Boy Floyd et Baby Face Nelson. Tandis que Dillinger multiplie les braquages audacieux et s'attire la sympathie populaire d'une Amérique appauvrie, sa romance avec Billie Frechette apporte une touche d'humanité à cette cavale sanglante. Cette confrontation impitoyable entre le hors-la-loi et l'agent fédéral va se conclure dans le sang, au terme d'une traque devenue légendaire.