Début des années 1930, aux Etats-Unis.John Dillinger, un astucieux braqueur de banque, fait évader plusieurs membres de son gang. L'évasion tourne mal et des gardiens de prisons 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, il rencontre dans un club, 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...