Un policier, chargé d'assurer la sécurité d'un truand appelé à témoigner contre la mafia, se lance dans une folle poursuite après le meurtre de son témoin.
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...
Un excellent divertissement, réglé au millimètre, à l'image de la séquence de course-poursuite qui l'a rendu célèbre.