Em São Francisco Frank Bullitt (Steve McQueen), um detetive da polícia, é escolhido por Walter Chalmers (Robert Vaughn), um promotor público, para proteger da "Organização" por um fim-de-semana Johnny Ross (Pat Renella), uma testemunha-chave que deporá em audiência na segunda-feira perante uma Subcomissão do Senado. Carl Stanton (Carl Reindel), um detetive que auxiliava na proteção, é gravemente baleado na perna e Ross é morto por assassinos profissionais, que pareciam saber onde Ross se escondia. Bullitt procura pelos assassinos e quer saber como a informação do esconderijo vazou, mas Bullitt tenta esconder a morte de Ross (que só realmente faleceu após uma cirurgia) para poder pegar os mandantes do crime. Paralelamente, Chalmers não tem nenhum interesse no policial ferido ou nos assassinos, mas nas audiências que poderão projetá-lo politicamente diante da opinião pública. Mas as investigações vão revelar uma grande surpresa.