Un grupo de jóvenes pistoleros se dedica a asaltar los bancos del estado de Wyoming y el tren-correo de la Union Pacific. El jefe de la banda es el carismático Butch Cassidy (Newman), y Sundance Kid (Redford) es su inseparable compañero. Un día, después de un atraco, el grupo se disuelve. Será entonces cuando Butch, Sundance y una joven maestra de Denver (Ross) formen un trío de románticos forajidos que, huyendo de la ley, llegan hasta Bolivia.