De FBI noemde Floyd op 23 juli 1934 “Public Enemy No. 1”, na de dood van John Dillinger. Lokale politie en FBI-agenten onder leiding van Melvin Purvis schoten Floyd op 22 oktober 1934 neer in een maïsveld in East Liverpool, Ohio. Men verschilt van mening over wie hem neerschoot en de manier waarop hij werd gedood.
Floyd en Richetti waren op 18 oktober vertrokken uit Buffalo, New York, en hun voertuig gleed in zware mist tegen een telefoonpaal. Niemand raakte gewond, maar de auto was onklaar, dus stuurden ze twee vrouwelijke metgezellen om een takelwagen te halen. Ze waren van plan de vrouwen met de takelwagenchauffeur naar de stad te laten gaan en het voertuig te laten repareren terwijl zij langs de kant van de weg wachtten.
Na zonsopgang op 19 oktober reden automobilist Joe Fryman en zijn schoonzoon David O’Hanlon langs en zagen twee in pak geklede mannen langs de kant van de weg liggen. Ze vonden het verdacht en lichtten Wellsville, Ohio politiechef John H. Fultz in. Fultz stelde een onderzoek in met de agenten Grover Potts en William Erwin. Richetti zag de politiemannen en vluchtte het bos in, achtervolgd door twee agenten, terwijl Fultz naar Floyd toeging. Floyd trok onmiddellijk zijn pistool en vuurde, en hij en Fultz raakten in een vuurgevecht verwikkeld, waarbij Fultz gewond raakte aan de voet en Potts gewond raakte aan de rechterschouder, en Floyd vluchtte vervolgens het bos in. De andere twee agenten riepen de hulp in van de plaatselijke politieagent Chester C. Smith (14 februari 1895 – 23 oktober 1984), die tijdens de Eerste Wereldoorlog scherpschutter was geweest, en zij namen Richetti gevangen. Floyd bleef op de vlucht.
Er bestaan ten minste drie verslagen van de volgende gebeurtenissen, één van de FBI, één van andere mensen in de omgeving, en één van de plaatselijke politie. De verslagen zijn het erover eens dat Floyd op 22 oktober 1934 een ritje maakte in een wijk in East Liverpool nadat hij wat te eten had gehaald in een poolhal die eigendom was van zijn vriend Charles Joy. Hij werd opgemerkt door het team van wetsdienaren, waarop hij uit het voertuig brak en vluchtte in de richting van een boomgrens. Officier Chester Smith schoot als eerste, raakte Floyd in zijn rechterarm en sloeg hem tegen de grond. Op dit punt lopen de drie verslagen uiteen; de FBI-agenten eisten alle eer op en ontkenden dat de lokale politie zelfs maar aanwezig was bij de schietpartij. Volgens het verslag van de plaatselijke politie kreeg Floyd weer vaste grond onder de voeten en bleef hij rennen, waarna het hele team het vuur opende en hem op de grond sloeg. Floyd stierf kort daarna aan zijn verwondingen.
Volgens de FBI waren drie FBI-agenten (Samuel K. McKee, Jr., David E. Hall, en Winfred E. Hopton) onder leiding van Purvis en drie leden van de East Liverpool Police Department (Herman H. Roth, Jr., Chester C. Smith, en Glenn G. Montgomery) onder leiding van Chief Hugh McDermott in twee auto’s het gebied ten zuiden van Clarkson, Ohio aan het doorzoeken. Ze zagen een auto achter een maïsveld vandaan komen en weer terugrijden. Floyd kwam toen uit de auto en trok een .45 kaliber pistool, waarop de FBI agenten het vuur openden. Floyd zei naar verluidt, “Ik ben er klaar voor. Volgens een verslag uit die tijd kroop Floyd uit de maïskooi in de richting van de Dyke-auto en veranderde toen van richting in de richting van een beboste heuvelrug. Purvis riep “Halt” maar Floyd rende weg. Purvis riep “Vuur” en Floyd werd dodelijk verwond door vier kogels. Er werden handboeien om zijn polsen gedaan. Floyd vroeg: “Wie heeft jou in godsnaam getipt?”. Hij weigerde Purvis vragen te beantwoorden over de Kansas City Massamoord, maar zei wel: “Ik ben Floyd… Waar is Eddie?”. Denkend dat hij twee keer was neergeschoten, merkte hij op: “Je hebt me twee keer te pakken”. Purvis heeft Floyds laatste woorden niet bekend gemaakt. Naar verluidt had Floyd vier dagen eerder met twee medeplichtigen een bank beroofd van $500; Floyds aandeel in zijn laatste bankoverval was $120.00. Onder Floyds bezittingen die bij hem werden gevonden, bevonden zich een horloge en een zakhorloge met elk tien inkepingen – naar verluidt voor tien personen die Floyd had gedood.
De gepensioneerde East Liverpool politiechef Chester Smith beschreef de gebeurtenissen anders in een uitgave van TIME magazine uit 1979. Hij werd gecrediteerd als degene die Floyd als eerste had neergeschoten, en hij verklaarde dat hij Floyd opzettelijk had verwond, maar niet gedood. “Ik wist dat Purvis hem niet kon raken, dus liet ik hem vallen met twee schoten uit mijn .32 Winchester geweer.” Volgens Smith’s verklaring viel Floyd en kwam niet meer bij zijn positieven, waarna Smith hem ontwapende. Op dat moment kwam Purvis aangelopen en beval: “Ga weg bij die man. Ik wil met hem praten.” Purvis ondervroeg Floyd kort en kreeg gevloek als antwoord, dus gaf hij agent Herman Hollis opdracht “op hem te schieten”. Hollis schoot Floyd vervolgens van dichtbij neer met een machinepistool, waardoor hij om het leven kwam. De interviewer vroeg of er een doofpotaffaire was door de FBI, en Smith antwoordde: “Zeker wel, want ze wilden niet dat het bekend werd dat hij op die manier was vermoord.”
FBI-agent Winfred E. Hopton betwistte Smith’s bewering in een brief aan de redactie van TIME, gepubliceerd in het nummer van 19 november 1979. Hij verklaarde dat hij een van de vier FBI-agenten was die aanwezig waren toen Floyd werd vermoord op een boerderij enkele kilometers van East Liverpool, Ohio. Volgens Hopton arriveerden leden van de politie van East Liverpool pas nadat Floyd al dodelijk gewond was. Hij beweerde ook dat, toen de vier agenten Floyd confronteerden, hij zich omdraaide om op hen te schieten, en twee van de vier doodden hem vrijwel onmiddellijk. Smith’s verslag zei dat Herman Hollis de gewonde Floyd neerschoot op bevel van Purvis, maar Hopton beweerde dat Hollis niet eens aanwezig was. Tenminste één andere bron brengt Smith’s versie in diskrediet, door te stellen dat hoewel Smith’s verhaal breed werd uitgemeten, Hollis die middag niet in de boomgaard was.Hollis’ FBI profiel vermeldt zijn deelname aan dit incident niet.Hopton verklaarde ook dat Floyd’s lichaam in Hopton’s eigen auto naar East Liverpool werd vervoerd.
Floyd’s lichaam werd gebalsemd en kort bezichtigd in het Sturgis Funeral Home in East Liverpool, Ohio voordat het werd doorgestuurd naar Oklahoma. Zijn lichaam werd tentoongesteld in Sallisaw, Oklahoma. Zijn begrafenis werd bijgewoond door tussen de 20.000 en 40.000 mensen en blijft de grootste begrafenis in de geschiedenis van Oklahoma. Hij werd begraven in Akins, Oklahoma.
