FBI nazwało Floyda „wrogiem publicznym nr 1” 23 lipca 1934 roku, po śmierci Johna Dillingera. Lokalna policja i agenci FBI prowadzeni przez Melvina Purvisa zastrzelili Floyda 22 października 1934 roku na polu kukurydzy w East Liverpool, Ohio. Relacje różnią się co do tego, kto go zastrzelił i w jaki sposób został zabity.
Floyd i Richetti opuścili Buffalo, Nowy Jork 18 października, a ich pojazd wpadł w poślizg na słupie telefonicznym w gęstej mgle. Nikt nie został ranny, ale samochód był niesprawny, więc wysłali dwie towarzyszki po lawetę. Planowali, że kobiety będą towarzyszyć kierowcy holownika do miasta i naprawią pojazd, podczas gdy oni będą czekać przy drodze.
Po świcie 19 października, kierowca Joe Fryman i jego zięć David O’Hanlon przeszli obok, obserwując dwóch mężczyzn ubranych w garnitury leżących przy drodze. Uznali to za podejrzane i poinformowali szefa policji w Wellsville, Ohio, Johna H. Fultza. Fultz przeprowadził śledztwo wraz z oficerami Groverem Pottsem i Williamem Erwinem. Richetti zobaczył stróżów prawa i uciekł do lasu, ścigany przez dwóch policjantów, podczas gdy Fultz poszedł w kierunku Floyda. Floyd natychmiast wyciągnął broń i wystrzelił, a on i Fultz wdali się w strzelaninę, podczas której Fultz został ranny w stopę, a Potts w prawe ramię, po czym Floyd uciekł do lasu. Dwaj pozostali oficerowie skorzystali z pomocy lokalnego policjanta Chestera C. Smitha (14 lutego 1895 – 23 października 1984), który był snajperem podczas I wojny światowej, i schwytali Richettiego. Floyd pozostał na wolności.
Istnieją co najmniej trzy relacje z następujących wydarzeń, jedna podana przez FBI, jedna przez innych ludzi w okolicy i jedna przez lokalnych stróżów prawa. Konta zgadzają się, że Floyd złapał okazję na przejażdżkę w dzielnicy East Liverpool 22 października 1934 roku po uzyskaniu trochę jedzenia w sali bilardowej należącej do jego przyjaciela Charlesa Joya. Został zauważony przez grupę stróżów prawa, w którym to momencie zerwał się z pojazdu i uciekł w kierunku linii drzew. Oficer Chester Smith strzelił pierwszy, trafiając Floyda w prawe ramię i powalając go na ziemię. W tym momencie trzy relacje rozbiegają się; agenci FBI przypisują sobie wszystkie zasługi, zaprzeczając, że lokalne organy ścigania były w ogóle obecne podczas strzelaniny. Zgodnie z relacją lokalnej policji, Floyd odzyskał równowagę i kontynuował bieg, w którym to momencie cały zespół otworzył ogień, powalając go na ziemię. Floyd zmarł od ran wkrótce potem.
Według FBI, trzej agenci FBI (Samuel K. McKee, Jr, David E. Hall, i Winfred E. Hopton) prowadzeni przez Purvisa i trzej członkowie Departamentu Policji East Liverpool (Herman H. Roth, Jr, Chester C. Smith, i Glenn G. Montgomery) prowadzeni przez szefa Hugh McDermotta przeszukiwali teren na południe od Clarkson, Ohio w dwóch samochodach. Zauważyli samochód wyjeżdżający zza szopki kukurydzy, a następnie cofający się. Floyd wyszedł z samochodu i wyciągnął pistolet kalibru .45, a agenci FBI otworzyli ogień. Floyd podobno powiedział: „Jestem skończony. Według współczesnej relacji Floyd wyczołgał się z kukurydzy w kierunku samochodu Dyke’a, a następnie zmienił kierunek na zalesiony grzbiet. Purvis krzyknął „Stój”, ale Floyd pobiegł. Puris zawołał „Ognia” i Floyd został śmiertelnie ranny czterema kulami. Założono mu kajdanki na nadgarstki. Floyd zapytał: „Kto, do cholery, dał ci napiwek?”. Odmówił odpowiedzi na pytania Purvisa dotyczące masakry w Kansas City, ale powiedział: „Jestem Floyd… Gdzie jest Eddie?”. Myśląc, że został dwukrotnie postrzelony, zauważył: „Trafiłeś mnie dwukrotnie”. Purvis nie ujawnił ostatnich słów Floyda. Rzekomo cztery dni wcześniej Floyd i dwaj wspólnicy obrabowali bank z 500 dolarów; udział Floyda w jego ostatnim napadzie na bank wynosił 120 dolarów.Wśród rzeczy Floyda znalezionych przy nim był zegarek i breloczek, z których każdy miał dziesięć nacięć – rzekomo dla dziesięciu osób, które Floyd zabił.
Emerytowany kapitan policji z East Liverpool, Chester Smith, opisał wydarzenia inaczej w wydaniu magazynu TIME z 1979 roku. Przypisano mu, że to on pierwszy zastrzelił Floyda i stwierdził, że celowo zranił Floyda, ale go nie zabił. „Wiedziałem, że Purvis nie może go trafić, więc powaliłem go dwoma strzałami z mojego karabinu .32 Winchester”. Według relacji Smitha, Floyd upadł i nie odzyskał równowagi, a Smith następnie go rozbroił. W tym momencie podbiegł Purvis i rozkazał: „Odsuńcie się od tego człowieka. Chcę z nim porozmawiać.” Purvis przesłuchał Floyda krótko i w odpowiedzi otrzymał przekleństwa, więc rozkazał agentowi Hermanowi Hollisowi „strzelić do niego”. Hollis strzelił wtedy do Floyda z pistoletu maszynowego, zabijając go. Prowadzący wywiad zapytał, czy było tuszowanie sprawy przez FBI, a Smith odpowiedział: „Pewnie, że tak, bo nie chcieli, żeby wyszło na jaw, że został zabity w ten sposób.”
Agent FBI Winfred E. Hopton zakwestionował twierdzenie Smitha w liście do redaktorów TIME, opublikowanym w numerze z 19 listopada 1979 roku. Stwierdził on, że był jednym z czterech agentów FBI obecnych, gdy Floyd został zabity na farmie kilka mil od East Liverpool, Ohio. Według Hoptona, członkowie policji z East Liverpool przybyli na miejsce dopiero wtedy, gdy Floyd był już śmiertelnie ranny. Twierdził on również, że kiedy czterech agentów stanęło twarzą w twarz z Floydem, ten odwrócił się, aby do nich strzelić, a dwóch z tej czwórki zabiło go niemal natychmiast. Relacja Smitha mówiła, że Herman Hollis zastrzelił rannego Floyda na rozkaz Purvisa, ale Hopton twierdził, że Hollis nie był nawet obecny. Przynajmniej jedno inne źródło dyskredytuje wersję Smitha, stwierdzając, że chociaż historia Smitha uzyskała szeroki wydźwięk, Hollisa nie było tego popołudnia w sadzie.Profil Hollisa w FBI nie wspomina o jego udziale w tym incydencie.Hopton stwierdził również, że ciało Floyda zostało przetransportowane z powrotem do East Liverpool własnym samochodem Hoptona.
Ciało Floyda zostało zabalsamowane i krótko obejrzane w domu pogrzebowym Sturgis w East Liverpool, Ohio, zanim zostało wysłane do Oklahomy. Jego ciało zostało wystawione na widok publiczny w Sallisaw, w Oklahomie. W jego pogrzebie wzięło udział od 20 000 do 40 000 osób i jest to największy pogrzeb w historii Oklahomy. Został pochowany w Akins, Oklahoma.
