Un grup de joves pistolers es dedica a assaltar els bancs de l'estat de Wyoming i el tren-correu de la Union Pacific. El cap de la banda és el carismàtic Butch Cassidy (Newman), i Sundance Kid (Redford) és la seva inseparable company. Un dia, després d'un atracament, el grup es dissol. Serà llavors quan Butch, Sundance i una jove mestra de Denver (Ross) formin un trio de romàntics malfactors que, fugint de la llei, arriben fins a Bolívia.