Walter Chalmers, az ambiciózus politikus (Robert Vaughn) San Franciscóban szenátusi albizottsági megbeszélést tart az amerikai szervezett bűnözésről. Azért, hogy politikai megítélése javuljon, Chalmers szeretné elítéltetni Pete Ross gengsztert (Vic Tayback) egy kulcsfontosságú tanú, Pete testvére, Johnny Ross (Pat Renella) segítségével. A történet a tanú hétfői kihallgatása előtti hétvégén játszódik.
Johnnyt kétmillió dollár ellopása miatt letartóztatja a San Francisco-i rendőrség. Chalmers Frank Bullitt (Steve McQueen) egységét kéri meg, hogy őrizze. Szombat éjjel két bérgyilkos (Paul Genge és Bill Hickman) rálő a Johnnyt örző Stantonra és Johnnyra abban a hotelszobában, ahol a tanút védőőrizetben tartják, mind a ketten súlyosan megsérülnek. Bullitt ki akarja deríteni, ki adott utasítást a gyilkosságra, míg Chalmers Bullittot és a San Francisco-i rendőrséget hibáztatja, ha a tanút nem tudják kihallgatni. Johnny később belehal sérüléseibe, de Bullitt ezt egy darabig eltitkolja Chalmers elől.
Chalmers a karrierje végével fenyegeti Bullittot, ha nem árulja el, hová vitte a tanút. Bullitt nyomozni kezd a tanút szállító taxis segítségével, aki emlékszik rá, hova vitte és hol álltak meg útközben. A taxis még azt is elmondja, hogy Johnny távolsági hívást folytatott, mert látta, hogy sok aprópénzt dobott be egy utcai készülékbe.
Bullitt észreveszi, hogy egy fekete autó követi. Egy csellel mögéjük kerül, mire a benne ülő két férfi, a korábbi bérgyilkosok menekülni kezdenek. Hosszú autós üldözés közben rálőnek egy puskával, de végül az autójuk egy benzinkútba rohan, ahol felrobban, utasai szénné égnek.
Bullitt kideríti, hogy Johnny a barátnőjét hívta, és megszerzi a nő címét, akit egy motelban talál meg, holtan. Bőröndjei közelgő utazásról árulkodnak, de útlevelet nem találnak. Az ujjlenyomatok elemzésével viszont kiderül, hogy aki meghalt a védőőrizeti támadásnál az nem is Johnny, hanem egy használtautó-kereskedő, bizonyos Albert Rennick.
A repülőtérre rohannak, ahol Rennick neve alapján visszatartanak egy Pan Am repülőgépet, amiről leszállítják az utasokat, de egy férfi, az igazi Johnny futva elmenekül, közben többször rálő Bullittra, de nem találja el. Bullitt azonban lelövi Johnnyt. Kiderül, hogy Johnny ölte meg színész barátnőjét is.
