Etter å ha drept bank-raner Charles Floyd får FBI-agent Melvin Purvis et oppdrag direkte fra direktør J. Edgar Hoover: Han skal lede jakten på den kjente bank-raneren John Dillinger. Bankraner Dillinger møter Billie Frechette på en restaurant, og imponerer henne ved å kjøpe henne en pels-frakk. Frechette har romantiske følelser for Dillinger, selv etter at han avslører hans sanne identitet. Melvin Purvis leder et mislykket bakhold på et hotell, hvor han tror Dillinger oppholder seg.