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。

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。

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。

赵延年让她在办公室里等自己回来一起回家，他坐车去了重庆三峰山五号别墅，那是正是开会地点，会议上主要谈论军事物资的问题。千代子在赵延年办公室里顺利打开了保险柜，看完文件后她将柜子锁上，她知道了苏联代表团的位置。赵延年感觉到女儿有变化了，千代子的话让他更加疑惑。钟克接到李汉正回来的消息还知道他救了赵梓梦，千代子夜间悄悄潜入五号别墅，她和同伙杀死卫兵后冲向别墅。钟克也根据情况做出安排，他上人封锁赵延年的家，并在码头迎接真的赵梓梦。

千代子和同伙将毒气弹投入安德烈将军的房间，他们闻到后全部死亡。李汉正带回了赵梓梦，王处长让人将她送到军统，他猜出背后肯定有阴谋。赵延年听到五号别墅集体中毒后有些吃惊，保密局的人看到黑影进入别墅房间，他们冲进去后说明来意，赵延年只好让他们过去搜查，但一无所获。钏克见到赵梓梦后认出是她，她想回家被阻止，他对整个案件进行了分析，他知道这些情况后没有盲目行动。

李汉正还将逃走汉奸的情况说出来，钟克想一网打尽潜伏的特务，李汉正将担忧说出来，他们将三男一女不慎死亡的消息登到报纸上。钟克去了赵府命人跟踪千代子坐的车。赵梓梦被李汉正控制起来，她借上厕所之机溜走，李汉正发现后过去追赶，他的及时出现救了被人追杀的赵梓梦。

千代子看到房外吉屋出租的告示后知道运送赵梓梦的任务已经失败，赵梓梦想回家时被李汉正拦住，她想起那天被绑的事情。黄三交待那个日本人叫北条千代子，是北条荣一的女儿，面对逼供黄三交待了一切情况，还说认识的人都被李汉正打死。赵梓梦从来没听父亲说过自己的孪生姐妹，钟克知道她会和特务联系，赵梓梦提出利用一下千代子的身份对付日本人。

千代子下课后答应跟着陈旧去看电影，但要先甩开跟踪之人，千代子趁机将情报送到裁缝铺，哑巴裁缝收到情报后离开，但他还是被军统的人跟踪了，黄三见到日本人后称他坐在副驾驶的位置逃生，但他险些被日本特务识破。空军英雄高志远被敌机击落的消息在报纸上传开，赵梓梦看到后十分伤心，千代子从报纸上看到了赵梓梦的死亡是真实的。李汉正从党组织那里知道北条千代子在执行影子计划，他知道情报不能明确地告诉钟克，李汉正的任务是配合军统全力阻止日本人的计划。

赵梓梦已做好准备，钟克命李汉正保证她的安全，千代子必须活捉。李汉正开车带赵梓梦到达了指定地点，他让她进去后不要发出什么响动，赵梓梦看到吴妈将咖啡冲凉后问起缘由，她以想吃榴莲为由支开吴妈，李汉正带人进去后让她先上楼，她已将药物放入咖啡之中，李汉正让人埋伏在房内，只待千代子的归来。千代子化妆从学校离开，门口监视的人没发现她，钟克知道赵梓梦的心理素质很好，应变能力也很强。千代子向黄三问起当时的详细情况，她看出黄三在撒谎，将他杀死后千代子换上衣服回到家中，李汉正收到情况后准备按原计划对她实施抓捕。千代子到家后叫吴妈时没人应答，她端起咖啡要喝时感觉到屋里情况的不对，但开门后啥也没发现，听到楼上的声音后千代子上楼查看情况，李汉正趁机从那个门里出来。

千代子由于喝了咖啡有些头晕，等他在楼上回头时看到李汉正拿枪指住她，但由于咖啡里的药力发作才使她晕倒在地上，千代子被活捉。钟克向王人杰提起了刀锋，还说起了影子计划，李汉正在门外听到了他们的谈话。钟克想利用赵梓梦来替代北条千代子，他准备在影子计划里加一个影子，以其人之道还治其人之身。王人杰对醒来的千代子进行审问，她自称啥都不知道。赵延年回家后赵梓梦从楼上冲了下来，她梦到了妈妈，赵延年说她有一个双胞胎的姐姐，还将当初在日本的事情都说出来，她们母亲因生产她们难产而死，当时医院下了两份死亡通知书。

赵梓梦不太乐意地上了陈旧的车，这让他感觉也有些奇怪。钟克将王人杰和李汉正叫来说出北条荣一刺杀委员长的计划，他们要查出那七个少壮派的名单，钟克准备派出赵梓梦来替换千代子，李汉正对此有些担忧，此事不能让赵延年知道。钟克将日本人俘虏飞行员的情况告诉了赵梓梦，她男朋友高志远可能在其中，营救方法要采用秘密行动，钟克提出让她替代千代子去上海并想办法拿到刺客名单，李汉正在门外听到了他们的对话。

钟克将潜伏的危险性也说给了赵梓梦，她愿意接受这个行动，但她没接受过训练，回家后看着高志远的信件让她决定投军抗日，那是高志远临行前的最后一封信，她向往上海但又不忍心将父亲留在这个冷清的家中。赵延年知道赵梓梦报考军统后也很高兴，毕业后要训练三个月，她不想让父亲参加全军军事大会，她无法说出实情阻止父亲参加，赵梓梦意识到此时要和父亲分离，但为将来执行蝴蝶计划来说这都不算什么。

李汉正将赵梓梦的情况汇报给党组织，他会在有限时间内交给赵梓梦的特工技能。钟克对李汉正、王人杰和赵梓梦说出了蝴蝶计划，赵梓梦的代号为蝴蝶，她要完全模仿北条千代子，幸好她的日语比较好，由王人杰和李汉正对赵梓梦进行特殊训练。陈旧看到李汉正在接送赵梓梦后有些不满意，赵梓梦的悟性很高，她离一个职业特工的要求还差很远，但只有很少的时间来训练她。陈旧看着赵梓梦的变化让她不要加入军统，还劝她离自己远一些。

千代子始终不开口说日语，这让赵梓梦无法掌握她的说话技巧，但最终千代子还是开口了，但那些都是一些吵架的话，赵梓梦听完后还是掌握了千代子说话的一些技巧。哑巴的店铺一直被军统的人盯着，他挂出了接头的暗号，赵梓梦第一次亮相去会见哑吧，她并不感觉到紧张。赵梓梦进入裁缝铺后被哑巴识破，李汉正看到挂出的南洋花布、本月无货的牌子后知道赵梓梦面临危险，他带人冲入裁缝铺杀死了哑巴后求出赵梓梦，她有些紧张。

钟克收到刀锋死的消息后准备让蝴蝶马上起飞，李汉正不赞成匆忙出发，赵梓梦行动前想问一下军统如何处理千代子。李汉正将情况变故汇报给党组织，党组织针对变化做出了调整和应对之策。钟克再次强调了蝴蝶计划的首要任务，李汉正成了赵梓梦的唯一联系人，钟克相信她能成为一个出色的谍报人员，但一个重要的漏洞是赵梓梦还没掌握千代子的写字技能，赵样梦听完用柜门将自己的手弄伤，这样可以蒙混过关。

李汉正最担心的是北条荣一和千代子的生活习惯。千代子想着自己这些天的表现让她无法猜透中国人的意图，赵样梦去了武汉北条机关先遣站，她自称是北条千代子。陈旧给吴妈打电话询问赵梓梦的情况，吴妈话没说完他就挂断了电话。先遣站的人对赵梓梦注射顾吐真剂，他们对她进行了审查，她回答黄三出卖才使任务失败，还说小林君已被军统枪毙。陈旧通过父亲的关系到了王人杰的手下，王人杰知道他擅长跟踪，他让他盯住华润堂中药房的掌柜，是中共级别较高的地下党负责人，王人杰怀疑军统内部的内鬼，这也算是对他的一个测试。

王人杰感觉陈旧根本不像是个特工，陈旧也同意那样工作。赵梓梦坐车到达上海府邸，她走入深不可测的北条机关，那里的日本人个个都是杀人魔鬼，她仔细地观察着那里的所有物品，她知道首要骗过的就是北条荣一，北条荣一见到她后感觉她有些胖了，幸好她及时化解。赵梓梦环顾着北条千代子的房间，她为骗过北条荣一和所有人而感到庆幸。药房掌柜发现自己被人跟踪，他在路上骗过了陈旧。

北条千代子从假处决中想到军统可能要利用他，有可能是要利用赵梓梦来冒充自己，她深深地绝望了。赵梓梦向海老泽加乃详细的描述着逃出城的详细情况，她本能地排斥着她，但只能在她面前假装，赵梓梦没想到初来乍到她就险些栽在她的手里。赵梓梦从千代子的房间里没找到只字片言，她猜想资料室里肯定有北条千代子的笔记。赵梓梦向海老泽加乃找以前的资料，她将久我正雄的信拿给她，这是故意的试探。加乃让和尚调查千代子的情况，她担心她有问题。

千代子用中文写遗书让王人杰意识到她已经发现了一些问题，以后让她写东西就更难了。赵梓梦见到李汉正后十分高兴，她相信自己暂时还能应付一段时间，她在北条荣一的办公室和资料室里没发现什么端倪。北条荣一看完薛博士送来的刺杀名单后将其烧毁，赵梓梦在门外和薛博士带来的巴队长发生冲突，北条荣一出来后命手下的人杀死了巴队长。

赵梓梦等北条荣一离开房间后潜入进去，见他要回来时赵梓梦假装在看报纸，北条荣一对她加以斥责，赵梓梦假装任务的失败使她丧失了信心，北条荣一感觉她的内心开始变的软弱起来，赵梓梦称自己需要时间调整更需要被爱护。赵梓梦意识到北条荣一卧室后面有密室，幸好她假扮带有挫折感觉的千代子才骗过北条荣一，李汉正见到她后交待她要学会迂回策略。

千代子意识到赵梓梦还活着，她承认了自己的身份，还提出用俘虏来换，王人杰让她给北条荣一写信。加乃感觉赵梓梦从重庆回来后机关里的很多规矩都忘了，赵梓梦去打开她的保险柜，因签名不符合不能办理存折，她称自己的右手受伤，见到负责人后她提出请小泉帮忙。赵梓梦见到小泉后知道他弟弟在华北战场死去，他向她提出借钱，她顺势答应下来。

王人杰带人在追踪敌特电台，到指定位置后发现有车胎的痕迹。在小泉的帮忙下赵梓梦成功打开了千代子的保险柜，她将钱交给小泉，他对于帮忙表示感谢，这样让赵梓梦成功地拿到了千代子的笔记，她要尽快学习她的笔迹。

王人杰将情况汇报给钟克，赵梓梦称她已拿到了千代子的笔迹，李汉正将千代子的笔迹拿给赵梓梦看，她看后发现是假的，李汉正意识到千代子已经识破他们的计划。李汉正发现他和赵梓梦会面被人跟踪，他让她回去后说他是在重庆认识的新欢，加乃派的和尚一直跟踪着李汉正，李汉正将他引入胡同，赵梓梦从背后将和尚打晕，和尚醒来后发现他们，李汉正被逼将他杀死，他指责了赵梓梦的盲目行为。