Butch Cassidy et son acolyte Sundance Kid sont des pilleurs de banques et de trains. Lasse de voir ses convois dévalisés, l'Union Pacific finit par engager l'agence de détectives Pinkerton pour mettre fin à leurs agissements. Au terme d'une traque de plusieurs jours, les deux compères parviennent à semer leurs poursuivants et décident de se faire oublier en se réfugiant en Bolivie.
D'un côté quatre bandits décidés et sans scrupules, munis d'une femme otage - de l'autre deux femmes, un gamin, un vieillard lâche et opportuniste, un Mexicain trop scrupuleux, et un homme qui a pour atouts son expérience de la survie dans les bad-lands - et comme handicap son appartenance psychologique et culturelle au peuple indien.