Bonnie Parker se morfond dans sa chambre d'une triste banlieue de Dallas quand elle aperçoit un jeune homme tentant de voler la voiture de sa mère garée devant la maison. Immédiatement séduite par celui qui affirme sortir de prison pour hold-up, elle le met au défi de se servir de son arme... et est époustouflée de le voir dévaliser sur-le-champ l'épicerie locale. Le nom du jeune homme est Clyde Barrow et elle lui saute littéralement dessus dans la traction-avant qui leur permet de quitter la ville. Mais Clyde la refroidit immédiatement: Il n'est pas très porté sur l'amour. Bonnie exige qu'il la reconduise chez elle mais il lui affirme que, dans ce cas, elle pourrira toute sa vie comme serveuse de bar avec un petit tablier blanc ou rose. Il la veut dans de grands hôtels, habillée de la plus élégante des façons.
Dans l'Amérique en crise, la situation est portant moins reluisante et c'est dans une maison abandonnée, saisie par une banque que Clyde entraine Bonnie au tir. Lorsque la famille de paysans revient une dernière fois visiter la maison, Clyde leur prête son revolver pour qu'ils puissent tirer sur l'écriteau de la banque qui en est désormais propriétaire. La première banque attaquée a fait faillite depuis trois semaine et Clyde attaque de nouveau une épicerie pour pouvoir se ravitailler mais se fait attaquer à la hachette par un employé.
Leur voiture étant en panne il rencontre un pompiste-mécanicien désœuvré qui devient leur complice permanent en volant le tiroir caisse de son patron. La police a interrogé l'employé de l'épicerie qui a reconnu Clyde. Après quelques nuits dans des hôtels miteux, Bonnie et Clyde attaquent ensemble une banque pendant que CW Moss les attend en voiture. Ayant pris la précaution de se garer, il sort trop lentement et Clyde fait feu sur le directeur accroché à la voiture. Ils se refugient dans un cinéma puis Clyde offre à Bonnie la possibilité de retourner chez sa mère pour ne pas être accusée de complicité de meurtre. Bonnie refuse mais ne parvient pas à vaincre l'impuissance persistante de Clyde.
À ce trio s'ajoutent bientôt Buck, le propre frère de Clyde et Blanche, la femme de Buck. Celui-ci loue pour trois mois une maison à Joplin dans le Missouri. Ils en sont pourtant bien vite délogés par la police et ne s'en sortent qu'en tuant deux policiers et en récupérant Blanche, affolée, au dernier moment. Bonnie ne ressent aucune sympathie pour Blanche dont la pruderie l'exaspère, mais le petit gang continue ses coups de main et devient vite célèbre. Toujours au Missouri Le gang de Barrow aurait été vu à White city, Nouveau Mexique, à Arp et Denton au Texas, Sanger en Indiana et même à Chicago. Il est en revanche probable que l'attaque de deux magasins Piggly Wiggly soit de leur fait.
Le shérif Frank Hamer tente de les arrêté mais c'est lui qui est désarmé et pris en photo pour être publiquement humilié. Après une dernière attaque dans le Missouri. La bande file dans l'Oklahoma. La voiture perdant de l'huile, ils volent celle de deux tourtereaux, George et Velma, qu'ils enlèvent quelque temps. Ils organisent un pique-nique avec la mère de Bonnie mais clle-ci ne croient pas à leurs idéal d'une vie normale pour l'avenir.
Alors qu'ils ont trouvé refuge dans un nouveeau hôtel miteux, C. W. se fait repérer avec un revolver pendant des courses dans une épicerie. Leur refuge est ainsi de nouveau attaqué par des dizaines de policiers. Ayant dévalisé une armurerie, le gang parvient néanmoins à fuir au milieu de la fusillade mais Buck est mortellement blessé. Au matin, la police les encercle. Buck meurt et Blanche est arrêtée mais Bonnie, Clyde et C. W. parviennent s'enfuir et trouvent refuge chez le père de C. W. Celui-ci accorde sont hospitalité aux jeunes gens mais trouve leurs aventures minables. Bonnie écrit la ballade de Bonnie and Clyde que celui-ci fait publier dans les journeaux. Satisfait d'etre enfin devenu celebre, Clyde parvient à faire l'amour à Bonnie. Ils savent que la mort est au bout du chemin.
Lle capitaine Hamer est venu sur place, persuadé que le gang n'a pu fuir très loin même s'il ne croit pas, comme les policiers locaux, que Blanche va être délivrée par ses complices. Il parvient à lui faire nommer le nom de leur complice, C. W. Moss et contacte le père de négocier avec la police.
Le père de C.W. trahit le gang contre une peine lègère pour son fils. Bonnie et Clyde tombent alors dans un guet-apens tendu par Hamer et ses hommes et ils meurent dans leur voiture tous les deux, criblés de balles.
Au-delà de la romance suicidaire de deux célèbres voleurs de banques de l'Amérique de la grande dépression, le film préfigure la guérilla urbaine qui allait déferler quelques mois plus tard.
Les effusions de sang en gerbes et au ralenti, qu'on n'attribue parfois injustement qu'à Sam Peckinpah (procédé tenté dès Le gaucher) trouvent ici leur forme fondatrice dans le final. La différence entre Penn et Peckinpah est que le premier est un lyrique et le second un nihiliste. Rien ne vient soulager l'éprouvant spectacle de La horde sauvage qui n'en finit pas de mourir. Alors, qu'au cur de la fusillade, Penn, sait saisir le dernier regard d'amour échangé entre Clyde Barrow et Bonnie Parker.