一九三七年七月七日，卢沟桥事变之后，抗日战争爆发，同年十一月十二日上海沦陷，国民政府迁都重庆，南京被攻占，日本不断派出飞机对重庆进行轰炸，战争进入相持阶段。几名日军空降而下，当他们到达接头地点时被围住，日本女特务千代子救下他们。
1939年，重庆，苏联军事代表团要到重庆和赵延年谈判关于防空武器的事情，千代子接到命令要用影子计划将谈判破坏。日本女特务千代子准备绑架女大学生赵欣梦。千代子是大特务北条荣一名义上的独生女，也是赵欣梦幼时失散的孪生姐姐。
赵欣梦的男朋友高志远是王牌飞行员，他几次在空中都化险为夷，听到枪声后高志远将受伤的人救下，那人回去后将情况汇报给重庆军统局，重庆全城都在搜捕日军间谍。千代子一直从远处观察着赵欣梦和志远的一举一动。赵欣梦父亲不想让她和高志远交往，她想参军去抗击日本人。
蝴蝶行动分集剧情介绍1-30集大结局
赵欣梦和千代子都因飞机轰炸而躲入地下防空洞，赵欣梦混乱之中看到了和自己长的一样的千代子，但很快她又不见了。日军在武汉秘密机场的位置正在通过电报发送，一群日本兵将发现了发报位置，他们将其包围，发报员死在发报机前。重庆方面在等待着情报的到来，情报副本在李汉正身上。
赵欣梦被军统陈旧安全送回家中，千代子去会见北条荣一派去的裁缝，他得知替换不顺利，千代子要在苏联人到达前替换赵欣梦。千代子准备执行备用方案，赵欣梦和同学去了裁缝店试衣服，千代子已悄悄潜入，在赵欣梦试衣服之机千代子将她替换，赵欣梦被捆绑起来。
蝴蝶行动分集剧情介绍第2集假扮赵梓梦的千代子头晕回到家中，吴妈端上热茶感觉她喝时有些不对劲儿。赵梓梦被绑到了一处房间后被关押起来，她不清楚是什么人将自己绑起来，但听到有人说日本话，她只能期盼父亲来解救自己，但想不到另一个赵梓梦已替代她，千代子相信自已成功骗过了唐娜、陈旧和吴妈，但还要骗过赵延年，赵延年回家后了解到女儿不舒服，他没进房间。
千代子接到的命令是利用身份将定时炸弹安放在会场上，她晚上去书房查看东西时被吴妈发现。赵延年准备带着赵梓梦一起参加欢迎会，苏联专家提前到达了军需署，千代子在楼上听到了电话。赵梓梦的日语让人放松了对她的警惕，但还是被关押起来。李汉正找部队借车要赶回重庆去，王团长将油加满后骑摩托车离开。陈旧开车带着唐娜和赵梓梦，千代子在车上显然有些语不搭意。赵延年接待了苏联的安德烈将军。
赵梓梦被关押时听到了外面日本人的通话，千代子被车带走后去参加宴会，进门时她将抱打开检查，但里面有一本大字典没有检查，千代子背着包进了欢迎宴会厅。李汉正的摩托车由于路上没油只好停下来步行，他看到了屋里求救的赵梓梦。赵延年想让女儿陪安德烈将军说俄语，千代子不会讲只好用英语回答，她趁机将定时炸弹放入指定地点，还做好了杀身成仁的准备。千代子背着包悄悄靠近了演讲台，她将包放在隐蔽地点后离开。
李汉正趁机杀死了日本人山下和其他看守人员，赵梓梦被解救出来，李汉正看到的灯光是她用灯光在打SOS求救信号。何长官的突然来临让赵延年带人离开主席台，他们刚离开定时炸弹就引爆了，幸好苏联专家没事。赵延年猜出爆炸是日本人干的，千代子想询问安德烈将军的住所，但赵延年只字未提。千代子在楼上看着赵延年想起了日本人说过她妈是被他害死的。赵梓梦对于李汉正的帮忙表示感谢，李汉正发现死者身上的标志，他将她开车送往家中，躲在草丛的一名国军军官看到了他们离开。爆炸调查过之后发现爆炸点只有赵梓梦离开过，千代子晚上悄悄离开赵府，她向组织上汇报了暗杀情况，日本人准备用生化武器来对付安德烈将军。
钟克向赵延年汇报了爆炸案的情况，他认为是赵梓梦将炸弹带进来的，她成了最大的嫌疑人，钟克准备找赵梓梦谈一下，吴妈去敲门时发现她不在房中，当她出来汇报时千代子从另外一个房间走出来，钟克见到她后没说啥就离开了。千代子悄悄潜入赵延年的房间将他衣服里的钥匙制成模具，她趁做衣服之机将模具交给同伙，日本人准备跟踪赵延年。千代子在赵延年门口以送茶之机听到了他的电话，之后她将情报送了出去，她准备用赵延年开会之机在他办公室里找到苏联代表团准备住处。
