Le lieutenant Bullitt est chargé de protéger Ross, témoin que le syndicat du crime tente de supprimer. Chalmers, un important politicien tient tout particulièrement à la survie de Ross. Lorsque ce dernier est abattu dans sa chambre d'hôtel, il intervient pour que la responsabilité de l'enquête soit retirée à Bullitt. Grâce à l'appui de son supérieur le plus direct, et malgré les pressions exercées par Chalmers, le jeune lieutenant poursuit deux tueurs venus achever le moribond à l'hôpital : au terme d'une folle poursuite dans les rues de San Francisco, les deux hommes de mains meurent accidentellement. Une jeune femme est égorgée : l'amie de Ross.