El FBI nombró a Floyd «Enemigo Público Nº 1» el 23 de julio de 1934, tras la muerte de John Dillinger. La policía local y los agentes del FBI dirigidos por Melvin Purvis dispararon a Floyd el 22 de octubre de 1934 en un campo de maíz en East Liverpool, Ohio. Los relatos difieren en cuanto a quién le disparó y la forma en que fue asesinado.
Floyd y Richetti habían salido de Buffalo, Nueva York, el 18 de octubre, y su vehículo se estrelló contra un poste telefónico en medio de una intensa niebla. Nadie resultó herido, pero el coche quedó inutilizado, por lo que enviaron a dos compañeras a buscar una grúa. Tenían previsto que las mujeres acompañaran al conductor de la grúa a la ciudad y que repararan el vehículo mientras ellos esperaban junto a la carretera.
Después del amanecer del 19 de octubre, el automovilista Joe Fryman y su yerno David O’Hanlon pasaron por allí y observaron a dos hombres vestidos de traje tirados junto a la carretera. Les pareció sospechoso e informaron al jefe de policía de Wellsville, Ohio, John H. Fultz. Fultz investigó con los oficiales Grover Potts y William Erwin. Richetti vio a los agentes de la ley y huyó hacia el bosque, perseguido por dos oficiales, mientras Fultz se dirigía hacia Floyd. Floyd sacó inmediatamente su pistola y disparó, y él y Fultz se enzarzaron en un tiroteo, durante el cual Fultz fue herido en el pie y Potts en el hombro derecho, y Floyd huyó entonces hacia el bosque. Los otros dos oficiales consiguieron la ayuda del policía local Chester C. Smith (14 de febrero de 1895 – 23 de octubre de 1984), que había sido francotirador durante la Primera Guerra Mundial, y capturaron a Richetti. Floyd siguió huyendo.
Existen al menos tres relatos de los siguientes acontecimientos, uno dado por el FBI, otro por otras personas de la zona y otro por las fuerzas del orden locales. Los relatos coinciden en que Floyd hizo autostop en un barrio de East Liverpool el 22 de octubre de 1934 después de conseguir algo de comida en un salón de billar propiedad de su amigo Charles Joy. El equipo de agentes de la ley le descubrió, momento en el que se desprendió del vehículo y huyó hacia una arboleda. El agente Chester Smith disparó primero, alcanzando a Floyd en el brazo derecho y tirándolo al suelo. En este punto, los tres relatos divergen; los agentes del FBI se atribuyen todo el mérito, negando que las fuerzas del orden locales estuvieran siquiera presentes en el tiroteo. Según el relato de la policía local, Floyd recuperó el equilibrio y siguió corriendo, momento en el que todo el equipo abrió fuego, tirándolo al suelo. Floyd murió a causa de sus heridas poco después.
Según el FBI, tres agentes del FBI (Samuel K. McKee, Jr., David E. Hall y Winfred E. Hopton) dirigidos por Purvis y tres miembros del Departamento de Policía de East Liverpool (Herman H. Roth, Jr., Chester C. Smith y Glenn G. Montgomery) dirigidos por el jefe Hugh McDermott estaban registrando la zona al sur de Clarkson, Ohio, en dos coches. Vieron que un coche se movía por detrás de un pesebre de maíz y luego retrocedía. Floyd salió entonces del coche y sacó una pistola del calibre 45, y los agentes del FBI abrieron fuego. Al parecer, Floyd dijo: «Estoy acabado. Según un relato periodístico contemporáneo, Floyd se arrastró fuera del maizal hacia el automóvil de Dyke y luego cambió de dirección hacia una cresta boscosa. Purvis gritó «Alto» pero Floyd corrió. Puris gritó «Fuego» y Floyd fue herido mortalmente por cuatro balas. Le colocaron las esposas en las muñecas. Floyd preguntó: «¿Quién demonios te ha dado la puntilla?». Se negó a responder a las preguntas de Purvis sobre la masacre de Kansas City, pero dijo: «Soy Floyd… ¿Dónde está Eddie?» Pensando que le habían disparado dos veces, comentó: «Me has dado dos veces». Purvis no reveló las últimas palabras de Floyd. Supuestamente cuatro días antes Floyd y dos cómplices habían robado un banco de $500; la parte de Floyd de su último robo bancario fue de $120.00. Entre los efectos de Floyd encontrados en él había un reloj y una leontina cada uno con diez muescas – supuestamente para diez personas que Floyd había matado.
El capitán de policía jubilado de East Liverpool, Chester Smith, describió los eventos de manera diferente en una edición de 1979 de la revista TIME. Se le atribuyó haber disparado primero a Floyd, y declaró que había herido deliberadamente a Floyd pero no lo había matado. «Sabía que Purvis no podía darle, así que lo derribé con dos disparos de mi rifle Winchester del 32». Según el relato de Smith, Floyd cayó y no recuperó el equilibrio, y Smith lo desarmó entonces. En ese momento, Purvis se acercó corriendo y ordenó: «Aléjate de ese hombre. Quiero hablar con él». Purvis interrogó brevemente a Floyd y recibió maldiciones como respuesta, por lo que ordenó al agente Herman Hollis que «le disparara». Hollis disparó entonces a Floyd a bocajarro con un subfusil, matándolo. El entrevistador preguntó si hubo encubrimiento por parte del FBI, y Smith respondió: «Seguro que sí, porque no querían que se supiera que lo habían matado de esa manera».
El agente del FBI Winfred E. Hopton rebatió la afirmación de Smith en una carta a los editores de TIME, publicada en el número del 19 de noviembre de 1979. Afirmó que era uno de los cuatro agentes del FBI presentes cuando Floyd fue asesinado en una granja a varios kilómetros de East Liverpool, Ohio. Según Hopton, los miembros del departamento de policía de East Liverpool sólo llegaron cuando Floyd ya estaba herido de muerte. También afirmó que, cuando los cuatro agentes se enfrentaron a Floyd, éste se volvió para dispararles, y dos de los cuatro le mataron casi al instante. El relato de Smith decía que Herman Hollis disparó al herido Floyd por orden de Purvis, pero Hopton afirmó que Hollis ni siquiera estaba presente. Al menos otra fuente desacredita la versión de Smith, afirmando que aunque la historia de Smith tuvo una amplia difusión, Hollis no estaba en el huerto esa tarde.El perfil de Hollis en el FBI no menciona su participación en este incidente.Hopton también afirmó que el cuerpo de Floyd fue transportado de vuelta a East Liverpool en el propio coche de Hopton.
El cuerpo de Floyd fue embalsamado y visto brevemente en la funeraria Sturgis de East Liverpool, Ohio, antes de ser enviado a Oklahoma. Su cuerpo fue expuesto al público en Sallisaw, Oklahoma. A su funeral asistieron entre 20.000 y 40.000 personas y sigue siendo el mayor funeral de la historia de Oklahoma. Fue enterrado en Akins, Oklahoma.
