En una noche de viernes en Chicago, el mafioso Johnny Ross se encuentra brevemente con su hermano, Pete, después de huir de la Organización. A la mañana siguiente, el detective teniente Frank Bullitt del SFPD y su equipo, Delgetti y Stanton, son encargados por el senador Walter Chalmers de proteger a Ross durante el fin de semana, hasta que pueda ser presentado como testigo en una audiencia del subcomité del Senado sobre el crimen organizado el lunes por la mañana. A los detectives se les dice que está en un hotel barato en Embarcadero. Delgetti toma el primer turno seguido de Stanton y luego Bullitt. A la 1 a.m. del domingo, mientras Stanton está llamando por teléfono a Bullitt para decirle que Chalmers y un amigo quieren subir, Ross desencadena la puerta de la habitación. Dos sicarios irrumpen disparando a Stanton en la pierna y a Ross en el cuello.

Las consecuencias de un ataque

Chalmers responsabiliza a Bullitt. Ross muere en el hospital a causa de sus heridas, pero Bullitt oculta la muerte para mantener abierta la investigación, enviando el cuerpo a la morgue como un John Doe. Un informante dice que Ross estaba en la ciudad porque robó millones de dólares de la Organización de Chicago. Bullitt también descubre que hizo una llamada telefónica de larga distancia a un hotel en San Mateo.

Mientras conduce su Ford Mustang, Bullitt se da cuenta de que está siendo seguido por un Dodge Charger conducido por los dos sicarios. Se produce una larga persecución por las calles de San Francisco hasta Brisbane. Finalmente, el Dodge se estrella fuera de la carretera, matando a sus ocupantes en una explosión ardiente.

Revelaciones y confrontaciones

Bullitt y Delgetti son confrontados por su jefe, el capitán Sam Bennett, así como por Chalmers (quien es asistido por el capitán Baker del SFPD). Después de recibir un auto de habeas corpus, Bullitt revela que Ross ha muerto. Bennett ignora el auto y deja que Bullitt investigue la pista de la llamada telefónica de larga distancia a San Mateo. Sin coche, Bullitt recibe un aventón de su novia Cathy. En el hotel, Bullitt encuentra a la mujer que fue llamada estrangulada en su habitación. Cathy sigue a la policía hasta la escena del crimen y queda horrorizada. De regreso a San Francisco, ella confronta a Bullitt sobre su trabajo diciendo "Frank, vives en una cloaca". Ella se pregunta "¿Qué nos pasará?"

El desenlace

Mientras examinan el equipaje de la víctima, Bullitt y Delgetti descubren un folleto de viaje para Roma y cheques de viajero a nombre de Albert y Dorothy Renick. Bullitt solicita sus solicitudes de pasaporte desde Chicago. Bullitt, el capitán Bennett, Chalmers y el capitán Baker se reúnen alrededor del telecopiador mientras llegan las solicitudes. Resulta que Chalmers envió a Bullitt a proteger a un doble, Albert Renick, un vendedor de autos usados de Chicago, mientras su esposa Dorothy se alojaba en San Mateo. Bullitt se da cuenta de que Ross estaba jugando con el políticamente ambicioso Chalmers usando a Renick como señuelo para poder salir del país la noche del domingo.

Delgetti y Bullitt vigilan la puerta de Roma en el Aeropuerto Internacional de San Francisco, sin embargo, el verdadero Ross (con el pasaporte de Renick) ha cambiado a un vuelo a Londres más temprano. Bullitt aborda el avión después de que se ordena regresar a la terminal, pero el mafioso escapa por la puerta trasera de la cabina. En la terminal de pasajeros abarrotada, Ross mata a un alguacil adjunto antes de ser abatido por Bullitt. Chalmers llega para inspeccionar la escena pero se va sin decir nada.

A primera hora del lunes por la mañana, Bullitt llega a casa y encuentra a Cathy dormida en su cama, habiendo elegido quedarse.