Killing Oswald erforscht das Mysterium, wie und warum John F. Kennedy und Lee Harvey Oswald 1963 ermordet wurden, und verfolgt Oswalds seltsame Verwandlung vom US-Marine-Radarbetreiber in Japan, der Überwachung von U2-Spionageflugzeugen über Russland; an einen 20-jährigen marxistischen Überläufer, der nach Moskau abgezogen ist und droht, militärische Geheimnisse mit dem KGB zu teilen; zum Pro-Castro-Aktivisten in New Orleans und zum selbsternannten Sündenbock in Dallas. Der Film enthält Interviews mit den Autoren John Newman, Dick Russell, David Kaiser und Joan Mellen, dem kubanischen Exilanten Antonio Veciana und dem Watergate-Einbrecher Eugenio Martinez; neben seltenen Archivfilmen und Tonbändern von Oswald und seinen mutmaßlichen CIA-Handlern George de Mohrenschildt und David Atlee Phillips.