FBI udnævnte Floyd til “Public Enemy No. 1” den 23. juli 1934, efter John Dillingers død. Lokale politi- og FBI-agenter under ledelse af Melvin Purvis skød Floyd den 22. oktober 1934 i en majsmark i East Liverpool, Ohio. Beretningerne er forskellige om, hvem der skød ham, og hvordan han blev dræbt.
Floyd og Richetti havde forladt Buffalo, New York, den 18. oktober, og deres køretøj gled ind i en telefonpæl i tæt tåge. Ingen kom til skade, men bilen var ubrugelig, så de sendte to kvindelige ledsagere ud for at hente en kranvogn. De havde planlagt at få kvinderne til at ledsage kranvognschaufføren ind til byen og få bilen repareret, mens de ventede i vejkanten.
Efter daggry den 19. oktober kom bilisten Joe Fryman og hans svigersøn David O’Hanlon forbi og observerede to mænd klædt i jakkesæt liggende i vejkanten. De fandt det mistænkeligt og informerede Wellsville, Ohio politichef John H. Fultz. Fultz undersøgte sagen sammen med betjentene Grover Potts og William Erwin. Richetti så lovmændene og flygtede ind i skoven, forfulgt af to betjente, mens Fultz kørte mod Floyd. Floyd trak straks sin pistol og skød, og han og Fultz udkæmpede en skudveksling, hvorunder Fultz blev såret i foden og Potts blev såret i højre skulder, og Floyd flygtede derefter ind i skoven. De to andre betjente fik hjælp fra den lokale politibetjent Chester C. Smith (14. februar 1895 – 23. oktober 1984), der havde været snigskytte under Første Verdenskrig, og de fangede Richetti. Floyd forblev på flugt.
Der findes mindst tre beretninger om de følgende begivenheder, en givet af FBI, en af andre personer i området og en af de lokale politimyndigheder. Beretningerne er enige om, at Floyd tog et lift i et kvarter i East Liverpool den 22. oktober 1934 efter at have fået noget mad i en billardhal, der var ejet af hans ven Charles Joy. Han blev opdaget af holdet af politifolk, hvorefter han brød ud af køretøjet og flygtede i retning af en trægrænse. Betjent Chester Smith skød først og ramte Floyd i højre arm og kastede ham til jorden. På dette punkt er de tre beretninger forskellige; FBI-agenterne påberåbte sig hele æren og benægtede, at de lokale politimyndigheder overhovedet var til stede under skyderiet. Ifølge det lokale politis beretning genvandt Floyd fodfæstet og fortsatte med at løbe, hvorefter hele holdet åbnede ild og kastede ham til jorden. Floyd døde kort efter af sine sår.
Ifølge FBI gennemsøgte tre FBI-agenter (Samuel K. McKee, Jr., David E. Hall og Winfred E. Hopton) under ledelse af Purvis og tre medlemmer af East Liverpool Police Department (Herman H. Roth, Jr., Chester C. Smith og Glenn G. Montgomery) under ledelse af politichef Hugh McDermott området syd for Clarkson, Ohio, i to biler. De så en bil bevæge sig fra bag en majskolbe og derefter bevæge sig tilbage. Floyd kom derefter ud af bilen og trak en pistol kaliber .45, og FBI-agenterne åbnede ild. Floyd sagde angiveligt: “Det er slut med mig. I har ramt mig to gange.” Ifølge en nyhedsberetning fra dengang kravlede Floyd ud af majskolben i retning af Dyke-bilen og ændrede derefter retning mod en skovklædt højderyg. Purvis råbte “Stop”, men Floyd løb. Puris råbte “Fire”, og Floyd blev dødeligt såret af fire kugler. Der blev lagt håndjern om hans håndled. Floyd spurgte: Floyd spurgte: “Hvem fanden gav dig et tip?”. Han nægtede at svare på Purvis’ spørgsmål om Kansas City-massakren, men sagde: “Jeg er Floyd… Hvor er Eddie?” Han troede, at han var blevet skudt to gange, og bemærkede: “Du fik mig to gange”. Purvis afslørede ikke Floyds sidste ord. Fire dage før havde Floyd og to medskyldige angiveligt røvet 500 dollars i en bank; Floyds andel af hans sidste bankrøveri var 120 dollars.Blandt Floyds ejendele, der blev fundet på ham, var et ur og en fob med ti hak i hver – angiveligt for ti personer, Floyd havde dræbt.
Den pensionerede politikaptajn i East Liverpool, Chester Smith, beskrev begivenhederne anderledes i et nummer af TIME Magazine fra 1979. Han blev krediteret for at have skudt Floyd først, og han erklærede, at han med vilje havde såret Floyd, men ikke dræbt ham. “Jeg vidste, at Purvis ikke kunne ramme ham, så jeg slog ham ned med to skud fra min .32 Winchester riffel.” Ifølge Smiths beretning faldt Floyd og kom ikke på benene igen, og Smith afvæbnede ham derefter. På det tidspunkt løb Purvis op og beordrede: “Gå væk fra den mand. Jeg vil tale med ham.” Purvis udspurgte Floyd kortvarigt og fik forbandelser som svar, så han beordrede agent Herman Hollis til at “skyde ind i ham”. Hollis skød derefter Floyd på klos hold med en maskinpistol og dræbte ham. Intervieweren spurgte, om der var tale om en mørklægning fra FBI’s side, og Smith svarede: “Ja, for de ville ikke have, at det skulle komme ud, at han var blevet dræbt på den måde.”
FBI-agent Winfred E. Hopton anfægtede Smiths påstand i et brev til redaktørerne af TIME, der blev offentliggjort i nummeret fra den 19. november 1979. Han erklærede, at han var en af de fire FBI-agenter, der var til stede, da Floyd blev dræbt på en gård flere kilometer fra East Liverpool, Ohio. Ifølge Hopton ankom medlemmer af politiet i East Liverpool først, efter at Floyd allerede var dødeligt såret. Han hævdede også, at da de fire agenter konfronterede Floyd, vendte han sig om for at skyde på dem, og to af de fire dræbte ham næsten på stedet. Smiths beretning sagde, at Herman Hollis skød den sårede Floyd på Purvis’ ordre, men Hopton hævdede, at Hollis ikke engang var til stede. Mindst én anden kilde miskrediterer Smiths version og anfører, at selv om Smiths historie fik stor udbredelse, var Hollis ikke i plantagen den eftermiddag.Hollis’ FBI-profil nævner ikke hans deltagelse i denne hændelse.Hopton oplyste også, at Floyds lig blev transporteret tilbage til East Liverpool i Hoptons egen bil.
Floyds lig blev balsameret og kortvarigt besigtiget på Sturgis Funeral Home i East Liverpool, Ohio, inden det blev sendt videre til Oklahoma. Hans lig blev udstillet offentligt i Sallisaw, Oklahoma. Hans begravelse blev overværet af mellem 20.000 og 40.000 mennesker og er fortsat den største begravelse i Oklahomas historie. Han blev begravet i Akins, Oklahoma.
