Bonnie Parker (Faye Dunaway) wurde 1910 in Rowena, Texas, geboren. Im Alter von etwa zwanzig Jahren lebt sie bei ihrer Mutter in West-Dallas und arbeitet als Serviererin in einem Café. Eines Morgens beobachtet sie durchs Fenster einen etwa gleichaltrigen Fremden, der sich am Auto ihrer Mutter zu schaffen macht. Sie schlüpft rasch in ein Kleid und eilt hinaus, um ihn zur Rede zu stellen. „Ich stehle doch kein Auto“, prahlt er. „Wenn ich eines möchte, kaufe ich mir einfach eines.“ Es handelt sich um Clyde Barrow (Warren Beatty), den Sohn eines Farmpächters. Gerade wurde er nach zwei Jahren Haft, die er wegen eines bewaffneten Raubüberfalls verbüßte, aus dem Gefängnis entlassen. Das erzählt er Bonnie ohne Umschweife, und als sie fragt, warum er hinkt, erfährt sie, dass er sich mit einem Beil zwei Zehen abhackte, um im Gefängnis nicht Steine klopfen zu müssen. Bonnie, die schon lang davon träumt, einmal etwas Aufregendes zu erleben und aus der langweiligen Kleinstadt herauszukommen, ist schwer beeindruckt, aber sie glaubt ihm nicht. Da zieht er vor ihren Augen einen Revolver, überfällt einen Kolonialwarenladen, raubt mit vorgehaltener Waffe die Kasse aus und flieht mit Bonnie in einem fremden Auto.

In einem leer stehenden Haus übernachten sie. Am anderen Morgen zeigt er ihr, wie man auf leere Büchsen schießt. Dabei werden sie von dem Besitzer des Hauses überrascht. Weil er seine Schulden nicht rechtzeitig tilgen konnte, hat ihn die Bank daraus vertrieben. Er wollte es nur noch einmal sehen, bevor er mit seiner Frau und seinem Sohn weiterzieht.

Die Wut auf die herzlose Bank bringt Clyde auf eine Idee. „Wir überfallen Banken!“, sagt er. Das ist weniger ein Geständnis als ein Versprechen. Die erste, bei der er es versucht, ging vor drei Wochen bankrott. Da ist nichts mehr zu holen.

Unterwegs fordern Bonnie und Clyde einen jugendlichen Tankwart namens C. W. Moss (Michael J. Pollard) auf, sich ihnen anzuschließen. Mit ihm als Fahrer überfallen sie die nächste Bank. Als am Straßenrand ein Parkplatz frei wird, fährt Moss in die Lücke, wie es sich gehört. Bonnie und Clyde stürmen mit dem Geld aus dem Gebäude. Alarmglocken läuten. Die Leute laufen zusammen. Aber so rasch kommt Moss jetzt nicht aus der engen Parklücke. Da taucht auch schon die Polizei auf. Clyde erschießt einen der Verfolger, der auf das anfahrende Auto aufzuspringen versucht.

Clyde macht Bonnie klar, dass er nun auch wegen Mordes gesucht wird und man sie an seiner Seite ebenfalls jagen würde. Deshalb rät er ihr, zu ihrer Mutter zurückzukehren. Aber sie will bei ihm bleiben. „Dann hast du keine ruhige Minute mehr“, gibt Clyde zu bedenken. „Ist das ein Versprechen?“, fragt sie aufgekratzt.

Heiter und fröhlich leben die beiden gemäß ihrer anarchischen Einstellung und erfüllen sich den amerikanischen Traum von Freiheit und Reichtum. Getrübt wird das Glück des jungen Paars zunächst nur durch Clydes Impotenz.

Bald darauf stoßen Clydes Bruder Buck Barrow (Gene Hackman) und dessen spießige, schreckhafte Ehefrau Blanche (Estelle Parson) zu Bonnie, Clyde und C. W. Moss. Buck war auch wegen irgendwelcher Diebstähle gefasst worden, aber sein Schwiegervater, ein Pastor, verzieh ihm, nachdem er seine Haftstrafe verbüßt hatte.

Die fünf beschließen, sich ein Haus in Missouri zu mieten und dort Ferien zu machen.

Nach ein paar Tagen macht die Polizei sie dort ausfindig, umstellt das Haus, blockiert die Ausfahrt und eröffnet das Feuer. Hysterisch kreischend läuft Blanche hinter ihrem Mann her. Der Ausbruch gelingt, aber drei Polizisten sind tot.

Bei einer Rast wird die Gang von dem Texas Ranger Frank Hamer entdeckt. Er schleicht sich an den geparkten Wagen heran. Im letzten Augenblick kehrt Clyde hinter ihm aus dem Gebüsch zurück und schießt ihm den Revolver aus der Hand. Sie legen ihm seine Handschellen an. Dann lassen sich Bonnie und Clyde mit ihm in der Mitte von Buck fotografieren. Das Foto schicken sie der Presse. Bevor sie weiterfahren, werfen sie den Gefesselten in einen Kahn und stoßen ihn auf den See hinaus.

Nach einem weiteren Banküberfall werden sie von mehreren Streifenwagen querfeldein verfolgt. Sie entkommen über die Grenze nach Oklahoma. Aber die Ölwanne ist undicht, stellt Moss fest. Sie müssen also ein neues Auto stehlen.

Vor den Augen des Besitzers, der gerade mit seiner Freundin schmust, steigen sie ein. Eugen und Wilma verfolgen sie in ihrem zweiten Wagen. Dann überlegen sie es sich anders, drehen um und wollen die Polizei verständigen. Übermütig wendet auch Clyde, verfolgt sie, drängt sie in den Straßengraben und fordert sie auf, zu der Gruppe ins Auto zu steigen. Zuerst sitzen Wilma und Eugen ängstlich im Fond, aber nach einiger Zeit beteiligen sie sich an den Späßen der anderen. Als Eugen sagt, er sei Bestattungsunternehmer, besteht Bonnie darauf, dass das Paar sofort aussteigt. Ein Leichenbestatter im Auto bringt Unglück! Bonnie wird allmählich bewusst, auf was sie sich eingelassen hat. Sie will nun doch zu ihrer Mutter zurück.

Inzwischen beschuldigt man sie zahlreicher Morde und Raubüberfälle. Die Polizei nützt nämlich die Gelegenheit, ihnen in der Öffentlichkeit unaufgeklärte Verbrechen zur Last zu legen und auf diese Weise vom eigenen Versagen abzulenken.

Wieder werden sie von der Polizei in einem Quartier aufgespürt. Bei der Flucht trifft eine Kugel Buck in den Kopf. Er stirbt während der Verfolgungsjagd. Die Polizisten nehmen Blanche fest. Bonnie und Clyde kommen mit leichten Schussverletzungen davon; sie liegen bewusstlos im Fond, während Moss sie zu seinem Vater in Louisiana bringt.

Frank Hamer verhört Blanche und findet heraus, wo die Gesuchten sich aufhalten. Heimlich trifft er sich mit Moss senior und verspricht ihm, dass sein Sohn mit ein paar Jahren Gefängnis davon kommt, wenn er Bonnie und Clyde ans Messer liefert.

Am 23. Mai 1934 wundern Bonnie und Clyde sich nach dem Einkaufen in der Stadt, wo C. W. Moss bleibt. Bonnie geht ihn suchen. Da bemerkt Clyde, dass Streifenwagen auftauchen. Er holt Bonnie zurück ins Auto und fährt los. Um C. W. Moss wollen sie sich später kümmern. Auf der Rückfahrt werden sie von seinem Vater angehalten, der mit seinem Fuhrwerk angeblich eine Panne hat. Es ist ein Hinterhalt. Überall lauern die Männer einer Sondereinheit der texanischen Polizei. Bonnie und Clyde sterben in einem schockierenden Kugelhagel: 167 Schüsse feuern die Polizisten auf sie ab. (Gerüchten zufolge sollen es sogar tausend gewesen sein.)