FBI jmenovala Floyda „veřejným nepřítelem č. 1“ 23. července 1934, po smrti Johna Dillingera. Místní policie a agenti FBI pod vedením Melvina Purvise zastřelili Floyda 22. října 1934 na kukuřičném poli v East Liverpoolu ve státě Ohio. Výpovědi o tom, kdo ho zastřelil a jakým způsobem byl zabit, se liší.
Floyd a Richetti odjeli 18. října z Buffala ve státě New York a jejich vozidlo v husté mlze narazilo do telefonního sloupu. Nikdo nebyl zraněn, ale auto bylo nepojízdné, a tak poslali dvě společnice pro odtahový vůz. Plánovali, že ženy doprovodí řidiče odtahovky do města a nechají vozidlo opravit, zatímco oni budou čekat u silnice.
Po rozednění 19. října projížděli kolem automobilista Joe Fryman a jeho zeť David O’Hanlon a všimli si dvou mužů oblečených v oblecích, kteří leželi u silnice. Zdálo se jim to podezřelé a informovali policejního náčelníka Johna H. Fultze z Wellsville v Ohiu. Fultz provedl vyšetřování společně s policisty Groverem Pottsem a Williamem Erwinem. Richetti muže zákona spatřil a utekl do lesa, pronásledován dvěma policisty, zatímco Fultz se vydal směrem k Floydovi. Floyd okamžitě vytáhl zbraň a vystřelil a svedl s Fultzem vzájemnou přestřelku, při níž byl Fultz zraněn do nohy a Potts do pravého ramene, a Floyd poté utekl do lesa. Ostatní dva policisté požádali o pomoc místního policistu Chestera C. Smithe (14. února 1895 – 23. října 1984), který byl za první světové války odstřelovačem, a Richettiho zajali. Floyd zůstal na útěku.
O následujících událostech existují nejméně tři svědectví, jedno podané FBI, jedno od dalších lidí z okolí a jedno od místních strážců zákona. Tyto výpovědi se shodují v tom, že Floyd si 22. října 1934 stopnul ve východní liverpoolské čtvrti poté, co získal nějaké jídlo v kulečníkové herně, kterou vlastnil jeho přítel Charles Joy. Byl spatřen skupinou mužů zákona, načež se vymanil z vozidla a utekl směrem ke stromořadí. Strážník Chester Smith vystřelil jako první, zasáhl Floyda do pravé ruky a srazil ho k zemi. V tomto bodě se tři výpovědi rozcházejí; agenti FBI si přisvojili veškeré zásluhy a popřeli, že by místní strážci zákona byli střelbě vůbec přítomni. Podle výpovědi místní policie se Floyd vzpamatoval a pokračoval v běhu, načež celý tým zahájil palbu a srazil ho k zemi. Floyd krátce poté na následky zranění zemřel.
Podle FBI tři agenti FBI (Samuel K. McKee mladší, David E. Hall a Winfred E. Hopton) pod vedením Purvise a tři členové policejního oddělení ve východním Liverpoolu (Herman H. Roth mladší, Chester C. Smith a Glenn G. Montgomery) pod vedením náčelníka Hugha McDermotta prohledávali ve dvou autech oblast jižně od Clarksonu v Ohiu. Všimli si auta, které se pohnulo zpoza kukuřičného kravína a pak se vrátilo zpět. Floyd poté vystoupil z auta, vytáhl pistoli ráže 45 a agenti FBI zahájili palbu. Floyd údajně řekl: „Skončil jsem. Trefili jste mě dvakrát.“ Podle dobového zpravodajství se Floyd vyplazil z kukuřičného lánu směrem k Dykovu automobilu a pak změnil směr k zalesněnému hřebenu. Purvis zakřičel „Stůj“, ale Floyd utekl. Puris zavolal „Pal“ a Floyda smrtelně zranily čtyři kulky. Na zápěstí mu byla nasazena pouta. Floyd se zeptal: „Kdo ti sakra dal tip?“. Odmítl odpovědět na Purvisovy otázky týkající se masakru v Kansas City, ale řekl: „Já jsem Floyd… Kde je Eddie?“ .v domnění, že byl dvakrát postřelen, poznamenal: „Dostali jste mě dvakrát“. Poslední Floydova slova Purvis neprozradil. Údajně čtyři dny předtím Floyd se dvěma komplici vyloupil banku o 500 dolarů; Floydův podíl na poslední bankovní loupeži činil 120,00 dolarů.
Mezi Floydovými věcmi, které u něj byly nalezeny, byly hodinky a přívěsek, z nichž každý měl deset zářezů – údajně za deset osob, které Floyd zabil.
Posloužilý kapitán policie ve východním Liverpoolu Chester Smith popsal události v roce 1979 ve vydání časopisu TIME jinak. Připisoval mu, že Floyda zastřelil jako první, a uvedl, že ho úmyslně zranil, ale nezabil. „Věděl jsem, že ho Purvis nemůže zasáhnout, a tak jsem ho dvěma výstřely ze své pušky Winchester ráže 32 srazil k zemi.“ Podle Smithovy výpovědi Floyd upadl a neudržel se na nohou a Smith ho poté odzbrojil. V tu chvíli přiběhl Purvis a nařídil: „Ustupte od toho muže. Chci s ním mluvit.“ Purvis Floyda krátce vyslechl a v odpovědi se mu dostalo nadávek, proto nařídil agentu Hermanu Hollisovi, aby do něj „vystřelil“. Hollis pak Floyda zblízka zastřelil samopalem, čímž ho zabil. Vyslýchající se zeptal, zda došlo k utajení ze strany FBI, a Smith odpověděl: „
Agent FBI Winfred E. Hopton Smithovo tvrzení zpochybnil v dopise redakci časopisu TIME, který byl zveřejněn 19. listopadu 1979. Uvedl, že byl jedním ze čtyř agentů FBI, kteří byli přítomni Floydově vraždě na farmě několik mil od East Liverpoolu v Ohiu. Podle Hoptona přijeli členové policejního oddělení z East Liverpoolu až poté, co byl Floyd již smrtelně zraněn. Tvrdil také, že když se čtyři agenti postavili Floydovi, obrátil se k nim, aby na ně vystřelil, a dva ze čtyř ho téměř okamžitě zabili. Smithova výpověď uváděla, že Herman Hollis zraněného Floyda zastřelil na Purvisův rozkaz, ale Hopton tvrdil, že Hollis ani nebyl přítomen. Přinejmenším jeden další zdroj Smithovu verzi diskredituje a uvádí, že ačkoli Smithova verze získala široký ohlas, Hollis onoho odpoledne v sadu nebyl. profil Hollise u FBI se o jeho účasti na tomto incidentu nezmiňuje. hopton také uvedl, že Floydovo tělo bylo převezeno zpět do východního Liverpoolu v Hoptonově vlastním autě.
Floydovo tělo bylo nabalzamováno a krátce prohlédnuto v pohřebním ústavu Sturgis ve východním Liverpoolu v Ohiu, než bylo odesláno do Oklahomy. Jeho tělo bylo vystaveno pro veřejnost ve městě Sallisaw v Oklahomě. Jeho pohřbu se zúčastnilo 20 000 až 40 000 lidí a zůstává největším pohřbem v historii Oklahomy. Byl pohřben ve městě Akins ve státě Oklahoma.
