Début des années 30, aux Etats-Unis. John Dillinger, un astucieux braqueur de banques, fait évader plusieurs membres de son gang. L'évasion tourne mal, et des gardiens de prison sont tués. Le FBI met alors tout en oeuvre pour l'arrêter. L'affaire est confiée à Melvin Purvis. Dillinger, devenu l'ennemi public numéro un, poursuit ses activités avec la protection de la mafia. En cavale, dans un club, il fait la connaissance de Billie Frechette, une préposée au vestiaire, dont il tombe immédiatement amoureux et qui devient sa compagne. Après une opération de police, qui se solde par un échec cuisant, Purvis demande des renforts. Peu à peu, les soutiens de Dillinger l'abandonnent. Autour de lui, l'étau se resserre..