Pada tahun 1963, Frank Abagnale, Jr. (Leonardo DiCaprio) tinggal di New Rochelle, New York dengan ayahnya, Frank Abagnale Sr. (Christopher Walken), dan ibunya yang berdarah Prancis, Paula (Nathalie Baye). Ketika Bank Chase Manhattan menolak pinjaman Frank Sr. karena masalah yang tidak diketahui dengan IRS, keluarga Abagnale dipaksa keluar dari rumah mereka yang besar ke sebuah apartemen kecil. Paula berselingkuh dengan Jack (James Brolin), teman suaminya. Sementara itu, Frank berprofesi sebagai guru pengganti di kelas bahasa Prancis. Orang tua Frank mengajukan gugatan cerai dan Frank melarikan diri. Ketika ia sudah tidak memiliki uang, Frank mulai mengandalkan penipuan dengan bermodalkan kepercayaan diri. Segera setelah itu, kemampuan Frank meningkat dan ia bahkan meniru seorang pilot maskapai penerbangan. Ia memaksa Pan Am memberikan cek gaji dan berhasil mencuri lebih dari $2.8 juta.
Sementara itu, Carl Hanratty (Tom Hanks), seorang agen spesialis penipuan bank dari FBI, mulai melacak Frank. Carl dan Frank bertemu di sebuah hotel di mana Frank meyakinkan Carl bahwa namanya adalah Barry Allen dari Secret Service dan bahwa ia juga sedang menyelidiki penipuan. Kemudian Frank pergi dan setelah itu, Carl sangat kesal karena ia terlambat menyadari bahwa dirinya juga telah ditipu. Kemudian pada hari Natal, Carl masih bekerja ketika Frank menghubunginya dan mencoba meminta maaf untuk menipu Carl. Carl menolak permintaan maafnya dan memberitahu Frank bahwa ia akan segera ditangkap, tetapi Carl tertawa ketika ia menyadari bahwa Frank menghubunginya karena ia tidak memiliki orang lain untuk diajak bicara. Frank menutup telepon dan Carl tetap menyelidikinya, tetapi tiba-tiba, Carl menyadari (berterima kasih kepada pelayan) bahwa nama “Barry Allen” berasal dari buku komik Flash dan bahwa Frank sebenarnya masih remaja.
Sementara itu, Frank melanjutkan penipuannya, kali ini dengan identitas seorang dokter dan pengacara. Saat memerankan Dr. Frank Conners, ia jatuh cinta dengan Brenda (Amy Adams). Frank meminta izin ayahnya untuk menikahi Brenda, lalu ia mengakui kebenaran tentang dirinya dan meminta bantuan untuk mengikuti ujian Louisiana State Bar. Carl melacak Frank ke pesta pertunangannya, tetapi Frank mampu menyelinap keluar jendela kamar tidur beberapa menit sebelum Carl menerobos masuk. Sebelum pergi, Frank sempat berjanji kepada Brenda untuk bertemu di Miami dua hari kemudian sehingga mereka bisa kawin lari. Frank melihat Brenda menunggunya dua hari kemudian, tetapi ia juga melihat beberapa agen berpakaian preman sedang bersiap untuk menyergapnya. Menyadari bahwa pertemuan itu telah diatur oleh FBI, Frank melarikan diri ke Eropa.
Tujuh bulan kemudian, Carl menunjukkan kepada atasannya bahwa Frank telah mencetak sendiri cek seluruh Eropa Barat dan meminta izin pergi ke Eropa untuk mencarinya. Ketika atasannya menolak, Carl membawa cek Frank kepada para profesional yang mengaku bahwa cek itu dicetak di Prancis. Dari interogasi dengan ibu Frank, Carl mengetahui bahwa Frank sebenarnya lahir di Montrichard, Prancis. Kemudian Carl pergi ke sana dan akhirnya menemukan Frank, lalu ia memberitahu Frank bahwa polisi Prancis akan membunuhnya jika ia tidak pergi dengan Carl secara diam-diam. Awalnya, Frank menganggap Carl berbohong, tetapi Carl berjanji kepada Frank bahwa ia tidak akan berbohong kepadanya, lalu Carl membawanya keluar ketika polisi Prancis membawanya ke penjara.
Adegan kemudian melompat ke sebuah pesawat yang membawa Frank dan Carl pulang dari penjara, kemudian Carl memberitahu Frank bahwa ayahnya telah meninggal. Berduka, Frank melarikan diri dari pesawat dan kembali ke rumah lamanya di mana ia menemukan ibunya dengan kekasih gelapnya serta seorang gadis yang diketahui adalah adik tirinya. Frank kemudian menyerahkan dirinya, divonis 12 tahun penjara dan dikunjungi oleh Carl seiring berjalannya waktu. Ketika Frank menunjukkan bahwa salah satu cek yang dibawa Carl sebagai bukti itu palsu, Carl meyakinkan FBI untuk menawarkan kesepakatan kepada Frank di mana Frank dapat menjalani sisa hukumannya bekerja di departemen penipuan bank FBI, lalu Frank menerima kesepakatan tersebut. Saat bekerja di FBI, Frank merindukan masa-masa pengejaran dengan Carl dan bahkan mencoba berperan sebagai pilot maskapai lagi, tetapi ia terpojok oleh Carl, yang menegaskan bahwa Frank akan kembali ke pekerjaan FBI karena tidak ada yang mengejarnya. Pada hari Senin berikutnya, Carl cemas karena Frank belum masuk kerja, tetapi Frank akhirnya tiba dan mereka membahas kasus mereka selanjutnya.
Film ini berakhir dengan Frank yang telah menikah selama 26 tahun, memiliki tiga putra, tinggal di Midwest dan masih berteman baik dengan Carl. Mereka telah menangkap beberapa pemalsu uang yang paling sulit ditangkap di dunia dan menghasilkan jutaan dolar setiap tahun karena karyanya menciptakan cek yang tak bisa dipalsukan.
