Le film retrace de façon romancée la vie mouvementée de Butch Cassidy et de Sundance Kid, deux très célèbres bandits de l'ouest américain. Le gang du « Trou dans le mur », dont ils sont les chefs, est spécialisé dans l'attaque des trains. Un jour, Butch Cassidy et sa bande attaquent le train de l'Union Pacific. Ils font sauter le wagon blindé contenant l'argent mais une patrouille de shérifs se lance à leur poursuite. La bande se sépare. Butch et le Kid restent ensemble. Leurs poursuivants ne les lâchent pas d'une semelle. Finalement, ils réussissent à s'échapper en sautant dans un torrent au fond d'un canyon vertigineux et se réfugient chez l'amie de Sundance Kid : l'institutrice Etta. Après mure réflexion, le trio décide de disparaître en Amérique du Sud. Ils font un crochet par New-York et enfin prennent le bateau pour la Bolivie. Le trio trouve quelques difficultés à s'adapter, mais elles sont vites surmontées grâce à Etta qui leur apprend à dire « haut les mains » en espagnol. La valse des hold-up reprend. Un jour, croyant que la police U.S. est à nouveau sur leurs trousses, Butch et le Kid décident de devenir honnêtes. Leur expérience, hélas, est un échec. Ils reprennent leurs activités de bandits dans la jungle. Un jour, cernés par la police et l'armée boliviennes, ils sont abattus sur la place inondée de soleil d'un village perdu dans la montagne.