Az FBI 1934. július 23-án, John Dillinger halálát követően Floydot “első számú közellenségnek” nevezte el. A helyi rendőrség és az FBI ügynökei Melvin Purvis vezetésével 1934. október 22-én lőtték le Floydot az ohiói East Liverpoolban egy kukoricaföldön. A beszámolók eltérnek abban, hogy ki lőtte le, és hogy milyen módon ölték meg.
Floyd és Richetti október 18-án indult el a New York-i Buffalóból, és járművük a sűrű ködben egy telefonpóznának csúszott. Senki sem sérült meg, de az autó mozgásképtelenné vált, ezért két női társukat elküldték egy vontatóért. Úgy tervezték, hogy a nők elkísérik az autómentőt a városba, és megjavíttatják a járművet, amíg ők az út szélén várakoznak.
Október 19-én hajnalban Joe Fryman autós és veje, David O’Hanlon arra járt, és két öltönyös férfit figyeltek meg az út szélén fekve. Gyanúsnak találták, és értesítették az ohiói Wellsville rendőrfőnökét, John H. Fultzot. Fultz Grover Potts és William Erwin rendőrökkel együtt nyomozott. Richetti meglátta a törvény embereit, és a két rendőr üldözésével az erdőbe menekült, míg Fultz Floyd felé indult. Floyd azonnal elővette a fegyverét és tüzet nyitott, majd Fultz és ő tűzharcba keveredett egymással, amelynek során Fultz a lábán, Potts pedig a jobb vállán sebesült meg, majd Floyd az erdőbe menekült. A másik két rendőr a helyi rendőr, Chester C. Smith (1895. február 14. – 1984. október 23.) segítségét kérte, aki az első világháborúban mesterlövész volt, és elfogták Richettit. Floyd szökésben maradt.
A következő eseményekről legalább három beszámoló létezik: az egyiket az FBI, a másikat más környékbeli emberek, a másikat pedig a helyi rendfenntartó erők adták. A beszámolók megegyeznek abban, hogy Floyd 1934. október 22-én stoppolt egy kelet liverpooli negyedben, miután egy barátja, Charles Joy tulajdonában lévő biliárdteremben némi élelmet szerzett. A rendfenntartók csapata észrevette, ekkor kiszakadt a járműből, és egy fasor felé menekült. Chester Smith rendőr lőtt először, és Floydot a jobb karján találta el, majd a földre lökte. Ezen a ponton a három beszámoló eltér egymástól; az FBI ügynökei magukénak vallották az egészet, és tagadták, hogy a helyi rendfenntartók egyáltalán jelen lettek volna a lövöldözésnél. A helyi rendőrség beszámolója szerint Floyd visszanyerte a lábát, és tovább futott, ekkor az egész csapat tüzet nyitott, és a földre lökte. Floyd nem sokkal később belehalt sérüléseibe.
Az FBI szerint három FBI-ügynök (Samuel K. McKee, Jr., David E. Hall és Winfred E. Hopton) Purvis vezetésével és az East Liverpool-i rendőrség három tagja (Herman H. Roth, Jr., Chester C. Smith és Glenn G. Montgomery) Hugh McDermott rendőrfőnök vezetésével két autóval kutatták át az ohiói Clarksontól délre fekvő területet. Észrevettek egy autót, amely egy kukoricatábla mögül mozdult ki, majd visszalépett. Floyd ekkor kiszállt az autóból, és elővett egy 45-ös kaliberű pisztolyt, mire az FBI-ügynökök tüzet nyitottak. Floyd állítólag azt mondta: “Végeztem. Kétszer is eltaláltak.” Egy korabeli híradás szerint Floyd kimászott a kukoricatáblából a Dyke autó felé, majd irányt változtatott egy erdős hegygerinc felé. Purvis azt kiáltotta: “Állj!”, de Floyd elfutott. Puris azt kiáltotta, hogy “Tűz”, és Floydot négy golyó halálosan megsebesítette. Bilincset tettek a csuklójára. Floyd megkérdezte: “Ki a fene adta a tippet?”. Nem volt hajlandó válaszolni Purvis Kansas City-i mészárlással kapcsolatos kérdéseire, de azt mondta: “Floyd vagyok… Hol van Eddie?” Mivel azt hitte, hogy kétszer lőtték meg, megjegyezte: “Kétszer kaptál el”. Purvis nem árulta el Floyd utolsó szavait. Állítólag négy nappal korábban Floyd és két bűntársa 500 dollárt rabolt ki egy bankból; Floyd részesedése az utolsó bankrablásból 120 dollár volt.Floyd holmijai között találtak nála egy órát és egy bilincset, mindegyiken tíz bevágás volt – állítólag tíz emberért, akiket Floyd megölt.
Chester Smith, East Liverpool nyugalmazott rendőrkapitánya a TIME magazin 1979-es számában másként írta le az eseményeket. Neki tulajdonították, hogy ő lőtte le először Floydot, és azt állította, hogy szándékosan megsebesítette Floydot, de nem ölte meg. “Tudtam, hogy Purvis nem tudja eltalálni, ezért a .32-es Winchester puskámból két lövéssel ejtettem el”. Smith beszámolója szerint Floyd elesett, és nem tudott talpra állni, Smith pedig ekkor lefegyverezte. Ekkor Purvis odarohant, és azt parancsolta: “Hátrébb attól az embertől. Beszélni akarok vele”. Purvis röviden kikérdezte Floydot, és káromkodásokat kapott válaszul, ezért utasította Herman Hollis ügynököt, hogy “lőjön rá”. Hollis ekkor egy géppisztollyal közvetlen közelről lelőtte Floydot, aki meghalt. A kérdező megkérdezte, hogy az FBI eltussolta-e a történteket, mire Smith így válaszolt: “
Winfred E. Hopton FBI-ügynök vitatta Smith állítását a TIME szerkesztőinek írt levelében, amely a TIME 1979. november 19-i számában jelent meg. Azt állította, hogy egyike volt annak a négy FBI-ügynöknek, aki jelen volt, amikor Floydot megölték egy farmon, néhány mérföldre az ohiói East Liverpooltól. Hopton szerint az East Liverpool-i rendőrség tagjai csak akkor érkeztek meg, amikor Floyd már halálosan megsebesült. Azt is állította, hogy amikor a négy ügynök szembeszállt Floyddal, az megfordult, hogy rájuk lőjön, és a négyből kettő szinte azonnal végzett vele. Smith beszámolója szerint Herman Hollis Purvis parancsára lőtte le a sebesült Floydot, de Hopton azt állította, hogy Hollis nem is volt jelen. Legalább egy másik forrás hitelteleníti Smith verzióját, azt állítva, hogy bár Smith története széles körben elterjedt, Hollis nem volt a gyümölcsösben azon a délutánon. hollis FBI-profilja nem említi részvételét ebben az incidensben. hopton azt is állította, hogy Floyd holttestét Hopton saját autójában szállították vissza East Liverpoolba.
Floyd testét bebalzsamozták és rövid ideig megtekintették az ohiói East Liverpoolban lévő Sturgis temetkezési vállalatnál, mielőtt továbbküldték Oklahomába. Holttestét az oklahomai Sallisawban helyezték közszemlére. Temetésén 20 000 és 40 000 ember vett részt, és ez maradt Oklahoma történetének legnagyobb temetése. Az oklahomai Akinsben temették el.
