Contada a través de un flashback, los ex convictos Perry Smith y "Dick" Hickock se encuentran en una zona rural de Kansas en el otoño de 1959. Juntos urden un plan para invadir la granja de la acaudalada familia Clutter, ya que el patriarca Herbert Clutter supuestamente guarda una gran cantidad de dinero en efectivo en una caja fuerte en la pared. Los dos delincuentes irrumpen en la casa en mitad de la noche, pero no consiguen encontrar ninguna caja fuerte, ya que Herbert utiliza cheques para sus negocios personales y sus operaciones agrícolas. Para no dejar testigos de su intento de robo, Smith y Hickock matan a Herbert degollándolo, y proceden a asesinar a su esposa, Bonnie, y a sus dos hijos adolescentes, Nancy, de 16 años, y Kenyon, de 14, con una escopeta. Sus cuerpos son descubiertos al día siguiente, y se inicia inmediatamente una investigación del sheriff del condado de Finney y de la Oficina de Investigación de Kansas (KBI), dirigida por el detective Alvin Dewey.

A partir de una pista de un antiguo compañero de celda de Hickock, los dos hombres se convierten en los principales sospechosos de los asesinatos de Clutter. Los fugitivos eluden a las fuerzas del orden dirigiéndose a Florida, viajando hacia el suroeste del país y cruzando finalmente la frontera mexicana. Tras dos semanas en México, los dos regresan a los Estados Unidos y deciden viajar a Las Vegas, Nevada, con la esperanza de ganar dinero en las apuestas. Poco después de su llegada a Las Vegas, Smith y Hickock son detenidos por conducir un coche robado, violar la libertad condicional y extender cheques sin fondos.

Posteriormente, el Departamento de Policía de Las Vegas y el KBI interrogan por separado a los dos hombres sobre los asesinatos de Clutter. Tanto Smith como Hickock admiten haber emitido cheques sin fondos, pero ambos niegan saber nada de los asesinatos. El KBI intenta asustar a los hombres para que confiesen, alegando que dejaron un testigo que puede declarar contra ellos. Sin embargo, el interrogatorio del KBI se ve frenado por la negativa de Smith a dar respuestas. A continuación, el KBI confronta a los dos con pruebas, como una huella ensangrentada que coincide con las botas que llevaba Smith. Finalmente, Hickock cede y confiesa que estuvo presente, pero que Smith llevó a cabo los asesinatos. Suplica la inmunidad de la pena de muerte. Después de que Smith se entera de que Hickok ha confesado, relata cómo, de hecho, fue él, y no Hickock, quien empuñó el cuchillo y apretó el gatillo en los cuatro asesinatos, pero mantiene que Hickock estuvo presente como cómplice activo.

Tanto Smith como Hickock son acusados de asesinato en primer grado, declarados culpables de todos los cargos y condenados a morir en la horca. Tras perder varias apelaciones, ambos hombres son ahorcados por sus crímenes con la presencia de agentes de la ley y representantes de los medios de comunicación.