Au Texas, dans les années 1930, Bonnie Parker, serveuse dans un bar, fait la connaissance de Clyde Barrow alors qu'il tente de voler la voiture de sa mère. Attirée par ce jeune homme effronté et courageux qui, pour l'impressionner, dévalise une boutique sous ses yeux, Bonnie décide de s'enfuir avec lui. Le beau ténébreux lui avoue tout de go qu'il n'est pas très doué pour l'amour et, dans la foulée, lui apprend le maniement des armes à feu. Sur leur route, ils rencontrent un jeune pompiste, C.W. Moss, qui abandonne sa station-service pour suivre le couple dans ses folles virées. Commence alors pour le trio une existence tumultueuse, ponctuée de hold-up et de courses-poursuites avec la police. Bientôt, leur vie aventureuse se transforme en une interminable fuite..