Frank Bullitt, tenente della squadra omicidi di San Francisco, viene incaricato da Walter Chalmers, un politicante, di sorvegliare in una stanza d'albergo un certo Johnny Ross, un elemento dell'organizzazione mafiosa, che, fuggito con alcuni milioni di dollari della stessa, è pronto a testimoniare contro i suoi capi. Nonostante tutte le precauzioni prese, durante una notte, per una leggerezza di Ross, che toglie la catena alla porta, due sicari entrano nella stanza e feriscono gravemente l'agente di guardia e il testimone. Mentre questi viene portato all'ospedale, Chalmers, vedendo sfuggire l'occasione per raggiungere i suoi scopi, esige, ma inutilmente, da Bullitt una dichiarazione di colpa. Intanto Ross muore e Bullitt, per evitare complicazioni da parte di Chalmers e dell'organizzazione, nasconde il cadavere e, proseguendo le indagini, riesce ad accertare che l'uomo ucciso dai sicari era un certo Albert Renick, mentre il vero Ross non solo è vivo ma, dopo aver ucciso la moglie di Renick perchè non parlasse, si sta preparando a partire per Roma. All'aeroporto Bullitt fa appena in tempo a fermarlo; dopo una dura lotta nei corridoi del grande edificio, Frank riesce ad eliminare Ross.