世界恐慌下のアメリカのテキサス。刑務所を出所してきたばかりのクライド（ウォーレン・ベイティ）が例によって駐車中の車を盗もうとした時、2階の窓から声をかけて邪魔をしたのが、その車の持ち主の娘ボニー（フェイ・ダナウェイ）だった。2人はこれがはじめての出会いだったが、クライドはボニーの気の強さに、ボニーはクライドの図太さに惚れこんでしまった。2人いっしょならば恐いものなしと彼らは、町から町に渡りながら次々と銀行強盗をくり返していく。ほどなくガソリンステーションの店員だったＣ・Ｗ（マイケル・Ｊ・ポラード）を仲間に加えた。しかし銀行強盗の最中にＣ・Ｗのヘマによりクライドは遂に人を殺してしまった。まだ顔の割れていないボニーを家に帰そうとするクライドだがボニーは聞きいれない。二人の想いは募るが、クライドはボニーを抱くことが出来なかった。ある時、クライドは兄バック（ジーン・ハックマン）と再会し、その女房のブランチ（エステル・パーソンズ）も仲間に加えて強盗団は5人となったが、この兄夫婦とボニーはそりが合わなかった。一行はまだ手配所が出回っていないと思われるミズーリに移るが、すぐさま隠れ家を警察に突き止められ銃撃戦の末辛くも逃れる。5人の犯行はその後も続き、活躍の場も次第に広くなり世間の注目も増していった。ある日彼らを追跡していたテキサス警備隊隊長を逆に捕獲し、彼を辱めたことでますます警察の恨みを買うようになる。銀行強盗を更に重ねる一行だが、ボニーとブランチの諍いも抜き差しならないところまで来ていた。ホームシックにかかったボニーのため一行は彼女の故郷に向かう。しかしボニーの母は別れ際に犯罪者となった娘に冷淡な態度を取るのだった。アイオワに移った一行だが、滞在中のモーテルで保安官たちに囲まれてしまう。装甲車すら出動した激しい撃ち合いの末、バックとブランチは重傷を負ってしまった。その晩は何とか包囲網を突破した一行だったが、翌朝再び急襲される。傷を負いながらもクライド、ボニー、Ｃ・Ｗは何とか逃げ出したが、バックは死にブランチは逮捕される。3人は、隠れ家を求めて逃走を続ける。そして唯一世間に名前の知られていないＣ・Ｗの父親の農場にたどり着き、そこで傷を癒すのだった。復讐に燃えるテキサス警備隊隊長ヘイマーは巧みな話術でブランチからＣ・Ｗの名前を聞き出す。ボニーは自分たちのことを詩にまとめ新聞で発表する。それを読み喜ぶクライドはついにボニーと愛を交わす。Ｃ・Ｗの父親は息子の命とひきかえにボニーとクライドの隠れ場所をヘイマーに密告した。車で町まで買い物に出かけた二人は帰路、待ち伏せしていたヘイマーたちの銃弾で蜂の巣にされ絶命する。若い男女の愛の無法の歴史は、銃の前にはかない終焉を告げたのだった。