FBI utnämnde Floyd till ”Public Enemy No. 1” den 23 juli 1934, efter John Dillingers död. Lokal polis och FBI-agenter under ledning av Melvin Purvis sköt Floyd den 22 oktober 1934 i ett majsfält i East Liverpool, Ohio. Berättelserna går isär om vem som sköt honom och på vilket sätt han dödades.
Floyd och Richetti hade lämnat Buffalo, New York den 18 oktober och deras fordon gled in i en telefonstolpe i tung dimma. Ingen skadades, men bilen var ur funktion, så de skickade två kvinnliga följeslagare för att hämta en bärgningsbil. De planerade att kvinnorna skulle följa med bärgningsbilschauffören in till stan och få fordonet reparerat medan de väntade vid vägkanten.
När gryningen den 19 oktober passerade bilisten Joe Fryman och hans svärson David O’Hanlon förbi och observerade två män klädda i kostym som låg vid vägkanten. De tyckte att det var misstänkt och informerade Wellsville, Ohio polischef John H. Fultz. Fultz undersökte saken tillsammans med poliserna Grover Potts och William Erwin. Richetti såg lagmännen och flydde in i skogen, förföljd av två poliser, medan Fultz gick mot Floyd. Floyd drog genast sin pistol och sköt, och han och Fultz utkämpade en eldstrid med varandra, under vilken Fultz sårades i foten och Potts sårades i höger axel, och Floyd flydde sedan in i skogen. De två andra poliserna tog hjälp av den lokala polisen Chester C. Smith (14 februari 1895-23 oktober 1984), som hade varit prickskytt under första världskriget, och de tillfångatog Richetti. Floyd förblev på flykt.
Det finns minst tre berättelser om följande händelser, en från FBI, en från andra personer i området och en från lokala polismyndigheter. Berättelserna är överens om att Floyd liftade i ett kvarter i East Liverpool den 22 oktober 1934 efter att ha fått lite mat på en biljardhall som ägdes av hans vän Charles Joy. Han upptäcktes av lagens team, varpå han bröt sig loss från fordonet och flydde mot en trädlinje. Konstapel Chester Smith sköt först, träffade Floyd i höger arm och slog honom till marken. Här skiljer sig de tre berättelserna åt; FBI-agenterna tog på sig hela äran och förnekade att lokala polismyndigheter ens var närvarande vid skottlossningen. Enligt den lokala polisens redogörelse återfick Floyd fotfästet och fortsatte att springa, varefter hela teamet öppnade eld och slog honom till marken. Floyd dog kort därefter av sina skador.
Enligt FBI genomsökte tre FBI-agenter (Samuel K. McKee, Jr., David E. Hall och Winfred E. Hopton) under ledning av Purvis och tre medlemmar av East Liverpools polismyndighet (Herman H. Roth, Jr., Chester C. Smith och Glenn G. Montgomery) under ledning av polischefen Hugh McDermott området söder om Clarkson, Ohio i två bilar. De såg en bil som rörde sig från bakom en majsbod och sedan flyttade sig tillbaka. Floyd kom då ut ur bilen och drog en kaliber 45-pistol, och FBI-agenterna öppnade eld. Floyd ska enligt uppgift ha sagt: ”Jag är körd. Ni har träffat mig två gånger.” Enligt en samtida nyhetsberättelse kröp Floyd ut ur majskolonnen mot Dyke-bilen och ändrade sedan riktning mot en skogsbevuxen ås. Purvis skrek ”Halt” men Floyd sprang. Puris ropade ”Eld” och Floyd blev dödligt skadad av fyra kulor. Handbojor sattes på hans handleder. Floyd frågade: Han frågade: ”Vem i helvete gav dig ett tips?”. Han vägrade att svara på Purvis frågor om Kansas City-massakern men sa: ”Jag är Floyd… Var är Eddie?” Han trodde att han hade blivit skjuten två gånger och sa: ”Du fick mig två gånger”. Purvis avslöjade inte Floyds sista ord. Enligt uppgift hade Floyd och två medbrottslingar fyra dagar tidigare rånat en bank på 500 dollar; Floyds andel av hans sista bankrån var 120 dollar.Bland Floyds tillhörigheter som hittades på honom fanns en klocka och en fob som var försedd med tio skåror – enligt uppgift för tio personer som Floyd hade dödat.
Den pensionerade polischefen från East Liverpool, Chester Smith, beskrev händelserna på ett annat sätt i ett nummer av tidskriften TIME från 1979. Han tillskrivs att han sköt Floyd först, och han uppgav att han avsiktligt hade skadat Floyd men inte dödat honom. ”Jag visste att Purvis inte kunde träffa honom, så jag fällde honom med två skott från mitt .32 Winchester-gevär”. Enligt Smiths redogörelse föll Floyd och återfick inte fotfästet, och Smith avväpnade honom då. Då sprang Purvis fram och beordrade: ”Gå bort från den där mannen. Jag vill prata med honom.” Purvis förhörde Floyd kort och fick svordomar som svar, så han beordrade agent Herman Hollis att ”skjuta på honom”. Hollis sköt då Floyd på nära håll med en kulsprutepistol och dödade honom. Intervjuaren frågade om det fanns en mörkläggning av FBI, och Smith svarade: ”Javisst, för de ville inte att det skulle komma ut att han hade dödats på det sättet.”
FBI-agenten Winfred E. Hopton bestred Smiths påstående i ett brev till redaktörerna för TIME, som publicerades i numret av den 19 november 1979. Han uppgav att han var en av fyra FBI-agenter som var närvarande när Floyd dödades på en gård flera mil från East Liverpool, Ohio. Enligt Hopton anlände medlemmar av East Liverpools poliskår först när Floyd redan var dödligt skadad. Han hävdade också att när de fyra agenterna konfronterade Floyd vände han sig om för att skjuta på dem, och två av de fyra dödade honom nästan omedelbart. Enligt Smiths redogörelse sköt Herman Hollis den skadade Floyd på Purvis order, men Hopton hävdade att Hollis inte ens var närvarande. Minst en annan källa misskrediterar Smiths version och uppger att även om Smiths berättelse fick stor spridning var Hollis inte vid fruktträdgården den eftermiddagen Hollis FBI-profil nämner inte hans deltagande i den här händelsen Hopton uppgav också att Floyds kropp transporterades tillbaka till East Liverpool i Hoptons egen bil.
Floyds kropp balsamerades och beskådades kort på Sturgis Funeral Home i East Liverpool, Ohio, innan den skickades vidare till Oklahoma. Hans kropp ställdes ut för allmänheten i Sallisaw, Oklahoma. Hans begravning besöktes av mellan 20 000 och 40 000 personer och är fortfarande den största begravningen i Oklahomas historia. Han begravdes i Akins, Oklahoma.
