Das FBI ernannte Floyd am 23. Juli 1934, nach dem Tod von John Dillinger, zum „Staatsfeind Nr. 1“. Die örtliche Polizei und FBI-Agenten unter der Leitung von Melvin Purvis erschossen Floyd am 22. Oktober 1934 in einem Maisfeld in East Liverpool, Ohio. Es gibt unterschiedliche Angaben darüber, wer ihn erschossen hat und auf welche Weise er getötet wurde.
Floyd und Richetti hatten Buffalo, New York, am 18. Oktober verlassen und waren mit ihrem Fahrzeug bei dichtem Nebel gegen einen Telefonmast gerutscht. Niemand wurde verletzt, aber das Auto war fahruntüchtig, also schickten sie zwei Begleiterinnen los, um einen Abschleppwagen zu holen. Sie planten, dass die Frauen den Abschleppwagenfahrer in die Stadt begleiten und das Fahrzeug reparieren lassen sollten, während sie am Straßenrand warteten.
Nach Sonnenaufgang am 19. Oktober kamen der Autofahrer Joe Fryman und sein Schwiegersohn David O’Hanlon vorbei und sahen zwei Männer in Anzügen am Straßenrand liegen. Sie hielten dies für verdächtig und informierten den Polizeichef von Wellsville, Ohio, John H. Fultz. Fultz ermittelte zusammen mit den Beamten Grover Potts und William Erwin. Richetti sah die Gesetzeshüter und floh in den Wald, verfolgt von zwei Beamten, während Fultz auf Floyd zuging. Floyd zog sofort seine Waffe und schoss, und es kam zu einem Schusswechsel zwischen ihm und Fultz, bei dem Fultz am Fuß und Potts an der rechten Schulter verwundet wurden. Die beiden anderen Polizisten holten sich die Hilfe des örtlichen Polizeibeamten Chester C. Smith (14. Februar 1895 – 23. Oktober 1984), der im Ersten Weltkrieg Scharfschütze gewesen war, und nahmen Richetti fest. Floyd blieb auf der Flucht.
Es gibt mindestens drei Berichte über die folgenden Ereignisse, einen vom FBI, einen von anderen Personen aus der Gegend und einen von der örtlichen Polizei. Die Berichte stimmen darin überein, dass Floyd am 22. Oktober 1934 in einem Viertel von East Liverpool per Anhalter unterwegs war, nachdem er sich in einer Billardhalle, die seinem Freund Charles Joy gehörte, etwas zu essen geholt hatte. Als er von den Gesetzeshütern entdeckt wurde, brach er aus dem Fahrzeug aus und floh in Richtung einer Baumreihe. Officer Chester Smith schoss zuerst, traf Floyd am rechten Arm und stieß ihn zu Boden. An diesem Punkt weichen die drei Darstellungen voneinander ab; die FBI-Agenten beanspruchten die ganze Schuld für sich und bestritten, dass die örtlichen Polizeibeamten bei der Schießerei überhaupt anwesend waren. Nach Angaben der örtlichen Polizei kam Floyd wieder auf die Beine und rannte weiter, woraufhin das gesamte Team das Feuer eröffnete und ihn zu Boden warf. Floyd erlag kurz darauf seinen Verletzungen.
Nach Angaben des FBI durchsuchten drei FBI-Agenten (Samuel K. McKee, Jr., David E. Hall und Winfred E. Hopton) unter der Leitung von Purvis und drei Mitglieder des East Liverpool Police Department (Herman H. Roth, Jr., Chester C. Smith und Glenn G. Montgomery) unter der Leitung von Chief Hugh McDermott in zwei Autos das Gebiet südlich von Clarkson, Ohio. Sie sahen, wie sich ein Auto hinter einem Maislager bewegte und dann zurückfuhr. Floyd stieg daraufhin aus dem Auto aus und zog eine Kaliber .45 Pistole, woraufhin die FBI-Agenten das Feuer eröffneten. Berichten zufolge sagte Floyd: „Ich bin erledigt. Einem zeitgenössischen Zeitungsbericht zufolge kroch Floyd aus dem Maisfeld in Richtung des Dyke-Autos und änderte dann seine Richtung in Richtung eines bewaldeten Bergrückens. Purvis rief „Halt“, aber Floyd rannte davon. Puris rief „Feuer“ und Floyd wurde durch vier Kugeln tödlich verwundet. Ihm wurden Handschellen um die Handgelenke gelegt. Floyd fragte: „Wer zum Teufel hat Ihnen einen Tipp gegeben?“. Er weigerte sich, Purvis‘ Fragen zum Massaker von Kansas City zu beantworten, sagte aber: „Ich bin Floyd… Wo ist Eddie?“, und als er dachte, er sei zweimal angeschossen worden, bemerkte er: „Sie haben mich zweimal erwischt“. Purvis gab Floyds letzte Worte nicht preis. Angeblich hatten Floyd und zwei Komplizen vier Tage zuvor eine Bank um 500 Dollar beraubt; Floyds Anteil an seinem letzten Bankraub betrug 120 Dollar. Unter Floyds Habseligkeiten, die bei ihm gefunden wurden, waren eine Uhr und ein Anhänger mit jeweils zehn Kerben – angeblich für zehn Personen, die Floyd getötet hatte.
Der pensionierte East Liverpooler Polizeikapitän Chester Smith beschrieb die Ereignisse 1979 in einer Ausgabe des TIME-Magazins anders. Ihm wurde zugeschrieben, Floyd zuerst erschossen zu haben, und er erklärte, er habe Floyd absichtlich verwundet, aber nicht getötet. „Ich wusste, dass Purvis ihn nicht treffen konnte, also habe ich ihn mit zwei Schüssen aus meinem .32 Winchester-Gewehr niedergestreckt“. Nach Smiths Darstellung fiel Floyd und kam nicht wieder auf die Beine, woraufhin Smith ihn entwaffnete. In diesem Moment kam Purvis angerannt und befahl: „Gehen Sie von diesem Mann weg. Ich will mit ihm reden.“ Purvis befragte Floyd kurz und erhielt Flüche als Antwort, woraufhin er dem Agenten Herman Hollis befahl, „auf ihn zu schießen“. Hollis schoss daraufhin aus nächster Nähe mit einer Maschinenpistole auf Floyd und tötete ihn. Auf die Frage des Interviewers, ob es eine Vertuschung durch das FBI gegeben habe, antwortete Smith: „
Der FBI-Agent Winfred E. Hopton bestritt Smiths Behauptung in einem Brief an die Redaktion von TIME, der in der Ausgabe vom 19. November 1979 veröffentlicht wurde. Er erklärte, er sei einer von vier FBI-Agenten gewesen, als Floyd auf einer Farm einige Meilen von East Liverpool, Ohio, getötet wurde. Hopton zufolge trafen Mitglieder der Polizeibehörde von East Liverpool erst ein, als Floyd bereits tödlich verwundet war. Als die vier Agenten Floyd konfrontierten, habe er sich umgedreht und auf sie geschossen, woraufhin zwei der vier ihn fast augenblicklich getötet hätten. Nach Smiths Darstellung erschoss Herman Hollis den verwundeten Floyd auf Befehl von Purvis, aber Hopton behauptete, dass Hollis nicht einmal anwesend war. Mindestens eine andere Quelle widerlegt Smiths Version und behauptet, dass, obwohl Smiths Geschichte weit verbreitet war, Hollis an jenem Nachmittag nicht in der Obstplantage war.
Hopton gab auch an, dass Floyds Leiche in Hoftons eigenem Auto nach East Liverpool zurückgebracht wurde.
Floyds Leiche wurde einbalsamiert und kurz im Sturgis Funeral Home in East Liverpool, Ohio, besichtigt, bevor sie nach Oklahoma weitergeschickt wurde. Sein Leichnam wurde in Sallisaw, Oklahoma, öffentlich ausgestellt. An seiner Beerdigung nahmen zwischen 20.000 und 40.000 Menschen teil, und es blieb die größte Beerdigung in der Geschichte Oklahomas. Er wurde in Akins, Oklahoma, beigesetzt.
