Au début du XXème siècle, Butch Cassidy et son ami Sundance Kid pillent les trains et les banques. Les deux malfrats élaborent un plan ingénieux qui leur permet de dévaliser deux fois le même convoi, mais les autorités sont sur leur piste. Le Kid retrouve son amie, Etta Place, une jeune institutrice, et Butch Cassidy improvise avec elle un brillant numéro à bicyclette. La seconde attaque de l'Union Pacific oblige les deux complices et Etta à abandonner leurs amis et à fuir en Bolivie. Là, ils poursuivent leurs exploits criminels et ce, malgré la défection de la jeune femme, effrayée par la tournure que prennent les événements.

En pleine révolution mexicaine, un aventurier sauve la vie d'une religieuse. Cette dernière est une résistante juariste, poursuivie par les français. De plus, la tenue de religieuse n'est qu'un déguisement pour cette prostituée au grand cœur.

En pleine nuit, Terry Lennox demande à son ami Philip Marlowe, un détective privé, de le conduire de toute urgence au Mexique. Ce dernier accepte, mais à son retour il est fraîchement accueilli par la police. Sylvia, l'épouse de Lennox, a en effet été retrouvée assassinée et Marlowe est inculpé pour meurtre.