O FBI chamou Floyd de “Inimigo Público Nº 1” em 23 de julho de 1934, após a morte de John Dillinger. A polícia local e agentes do FBI liderados por Melvin Purvis atiraram em Floyd em 22 de outubro de 1934 em um campo de milho em East Liverpool, Ohio. As contas diferem sobre quem atirou nele e a maneira como ele foi morto.
Floyd e Richetti tinham deixado Buffalo, Nova Iorque, a 18 de Outubro, e o veículo deles deslizou para um poste telefónico em forte nevoeiro. Ninguém ficou ferido, mas o carro foi desactivado, por isso mandaram duas acompanhantes femininas buscar um reboque. Elas planejaram mandar as mulheres acompanhar o motorista do reboque até a cidade e mandar reparar o veículo enquanto esperavam à beira da estrada.
Após o amanhecer de 19 de outubro, o motorista Joe Fryman e seu genro David O’Hanlon passaram, observando dois homens vestidos com ternos deitados à beira da estrada. Eles acharam suspeito e informaram Wellsville, o chefe da polícia de Ohio, John H. Fultz. Fultz investigou com os agentes Grover Potts e William Erwin. Richetti viu os homens da lei e fugiu para o bosque, perseguido por dois agentes, enquanto Fultz foi em direção a Floyd. Floyd sacou imediatamente da arma e disparou, e ele e Fultz envolveram-se num tiroteio, durante o qual Fultz foi ferido no pé e Potts no ombro direito, e Floyd então fugiu para a floresta. Os outros dois oficiais contaram com a ajuda do policial local Chester C. Smith (14 de fevereiro de 1895 – 23 de outubro de 1984), que tinha sido atirador furtivo durante a Primeira Guerra Mundial, e capturaram Richetti. Floyd permaneceu em fuga.
Existem pelo menos três relatos dos seguintes eventos, um dado pelo FBI, outro por outras pessoas da área, e outro pela polícia local. Os relatos concordam que Floyd pegou carona em um bairro de East Liverpool em 22 de outubro de 1934, após obter alguma comida em um salão de bilhar de propriedade de seu amigo Charles Joy. Ele foi avistado pela equipe de homens da lei, e nesse momento ele quebrou o veículo e fugiu para uma linha de árvores. O oficial Chester Smith disparou primeiro, atingindo Floyd no braço direito e atirando-o ao chão. Neste ponto, as três contas divergem; os agentes do FBI reclamaram todo o crédito, negando que a polícia local estivesse mesmo presente no tiroteio. De acordo com a conta da polícia local, Floyd recuperou o seu pé e continuou a correr, altura em que toda a equipa abriu fogo, atirando-o ao chão. Floyd morreu de seus ferimentos pouco depois.
De acordo com o FBI, três agentes do FBI (Samuel K. McKee, Jr., David E. Hall e Winfred E. Hopton) liderados por Purvis e três membros do Departamento de Polícia de Liverpool Leste (Herman H. Roth, Jr., Chester C. Smith e Glenn G. Montgomery) liderados pelo Chefe Hugh McDermott estavam revistando a área ao sul de Clarkson, Ohio, em dois carros. Eles viram um carro a mover-se por trás de um berço de milho e depois voltaram. Floyd então saiu do carro e sacou uma pistola calibre 45, e os agentes do FBI abriram fogo. Floyd disse: “Estou feito. De acordo com um noticiário contemporâneo, Floyd saiu do presépio em direção ao automóvel Dyke e depois mudou de direção em direção a um cume arborizado. Purvis gritou “Alto” mas Floyd correu. Puris gritou “Fogo” e Floyd foi mortalmente ferido por quatro balas. Algemas foram colocadas nos pulsos dele. Floyd perguntou: “Quem diabos te deu a gorjeta?”. Ele recusou-se a responder às perguntas do Purvis sobre o massacre de Kansas City mas disse: “Eu sou o Floyd… Onde está o Eddie?” Pensando que tinha sido baleado duas vezes, comentou: “Apanhaste-me duas vezes”. O Purvis não revelou as últimas palavras do Floyd. Alegadamente quatro dias antes de Floyd e dois cúmplices terem assaltado um banco de 500 dólares; a parte de Floyd no seu último assalto ao banco era de 120 dólares. Entre os bens de Floyd encontrados nele estava um relógio e um fob cada um tinha dez entalhes – alegadamente para dez pessoas que Floyd matou.
Retired East Liverpool capitão da polícia Chester Smith descreveu os eventos de forma diferente numa edição de 1979 da revista TIME. Ele foi creditado com o tiroteio a Floyd primeiro, e declarou que tinha ferido Floyd deliberadamente, mas não o matou. “Eu sabia que o Purvis não o podia atingir, por isso deixei-o cair com dois tiros da minha espingarda Winchester .32”. De acordo com o relato de Smith, Floyd caiu e não recuperou o pé, e Smith desarmou-o. Nessa altura, o Purvis correu e ordenou: “Afasta-te daquele homem. Eu quero falar com ele.” Purvis interrogou brevemente Floyd e recebeu maldições em resposta, por isso ordenou ao agente Herman Hollis para “disparar contra ele”. O Hollis disparou contra o Floyd à queima-roupa com uma sub-metralhadora, matando-o. O entrevistador perguntou se havia um encobrimento do FBI, e Smith respondeu: “Claro que foi, porque não queriam que se soubesse que ele tinha sido morto assim.”
O agente do FBI Winfred E. Hopton contestou a alegação de Smith numa carta aos editores da TIME, publicada na edição de 19 de Novembro de 1979. Ele declarou que era um dos quatro agentes do FBI presentes quando Floyd foi morto numa fazenda a vários quilômetros de East Liverpool, Ohio. De acordo com Hopton, membros do departamento de polícia de East Liverpool só chegaram depois que Floyd já estava mortalmente ferido. Ele também alegou que, quando os quatro agentes confrontaram Floyd, ele se virou para atirar neles, e dois dos quatro o mataram quase instantaneamente. O relato de Smith dizia que Herman Hollis atirou nos feridos de Floyd por ordem de Purvis, mas Hopton alegou que Hollis nem sequer estava presente. Pelo menos uma outra fonte desacredita a versão de Smith, afirmando que embora a história de Smith tenha recebido uma grande quantia de dinheiro, Hollis não estava no pomar naquela tarde. O perfil de Hollis no FBI não menciona sua participação neste incidente.Hopton também afirmou que o corpo de Floyd foi transportado de volta para East Liverpool no próprio carro de Hopton.
O corpo de Hollis foi embalsamado e brevemente visto na Funerária Sturgis em East Liverpool, Ohio, antes de ser enviado para Oklahoma. Seu corpo foi colocado em exposição pública em Sallisaw, Oklahoma. O seu funeral foi assistido por entre 20.000 e 40.000 pessoas e continua a ser o maior funeral da história de Oklahoma. Ele foi enterrado em Akins, Oklahoma.
