Lieutenant Frank Bullitt vom San Francisco Police Department bekommt von dem ambitionierten Staatsanwalt Walter Chalmers den Auftrag, dessen Kronzeugen, einen gewissen Johnny Ross, zu beschützen. Von dessen Aussage in einer anstehenden Anhörung vor dem Senatsausschuss erhofft sich Chalmers neben der Verbrechensaufklärung vor allem auch einen Karriereschub. Die gesamte Handlung spielt an dem Wochenende vor der Anhörung und erstreckt sich über den Zeitraum von Freitag- bis Sonntagnacht.

Ross arbeitete mit seinem Bruder Pete für das Syndikat in Chicago. Dort hatte Ross seinen Bossen zwei Millionen Dollar gestohlen, woraufhin man schon zweimal versucht hatte, ihn umzubringen, bevor er nach San Francisco entkam. Bullitt und seine Detective Sergeants Delgetti und Stanton sollen Ross in einem billigen Hotel rund um die Uhr bewachen. Ross hatte mehrmals telefoniert, bevor er dort einzog und mit der Polizei Kontakt aufnahm. Am Samstagabend, während Stantons Schicht, meldet der Portier über das Haustelefon Staatsanwalt Chalmers mit einem Freund an, die beide angeblich zu ihnen hinauf auf das Zimmer wollen. Stanton ruft daraufhin Bullitt zu Hause an, der Stanton anweist, die beiden nicht hineinzulassen, da jemand wie Chalmers nicht um ein Uhr morgens einfach dort auftauchen würde. Während Stanton telefoniert, öffnet Ross heimlich die Sicherheitskette der Tür. Daraufhin stürmt ein Killer mit seinem „Backup man“ herein. Der Killer schießt mit einer Winchester Model 1897 auf Ross, nachdem er und sein Komplize Stanton mit einem Beinschuss und einem Fußtritt außer Gefecht gesetzt haben.

Der lebensgefährlich verletzte Ross und Stanton werden in ein Krankenhaus gebracht. Bullitt will den Fall aufklären und sowohl den Killer als auch den Mafiaboss finden, der das Attentat angeordnet hat. Chalmers ist verärgert und beschuldigt Bullitt, seine Karriere zu gefährden, falls Ross sterben sollte. Weder der verletzte Detective noch das Killerkommando des Chicagoer Mobs kümmern Chalmers sonderlich. Ihm geht es allein darum, dass durch die Anhörung seine Karriere befördert wird. Er versucht daher, Bullitts Nachforschungen zu unterbinden.

Stanton überlebt, und Ross kommt mit einer „Fünfzig zu Fünfzig“-Chance aus dem OP. Kurz danach taucht einer der beiden Gangster im Krankenhaus auf, um Ross zu töten. Der Hitman wird aber von einer Krankenschwester im Treppenhaus entdeckt, als er gerade sein Mordwerkzeug – einen Eispickel – griffbereit macht. Bullitt versucht, den Killer bei seiner Flucht aus dem Krankenhaus zu fassen. Der kann jedoch entwischen. Als Ross kurz darauf stirbt, hält Bullitt die Nachricht von dessen Tod zurück und weist den behandelnden Arzt an, die Krankenakten verschwinden und Ross als unbekanntes Mordopfer registrieren zu lassen.