Le lieutenant Bullitt, de la police de San Francisco, est chargé par Walter Chalmers de veiller sur la sécurité de Johnny Ross, un truand ayant appartenu à la mafia de Chicago et appelé à témoigner contre l'organisation criminelle. Chalmers, un politicien ambitieux, est décidé à utiliser ce témoignage pour asseoir définitivement sa popularité. Ross est gardé dans une chambre d'hôtel. Deux tueurs parviennent à retrouver sa trace et l'abattent, en pleine nuit. Bullitt se lance à leur recherche, malgré la colère de Chalmers, qui voudrait que l'affaire lui soit retirée. Le lieutenant retrouve la trace des assassins et les pourchasse à travers San Francisco. Au terme d'une folle poursuite, les deux hommes de main trouvent accidentellement la mort...