上海“一二.八”事變后，日本帝國主義亡我之心不死，利用當時的特殊地理位置和復雜的社會關系千方百計的進行軍事滲透，制造無數災難，從而導致社會一片混亂。

災難的罪魁禍首就是號稱“千面媚諜”的日本特務。她躲藏在租界里，利用合法的身份做掩護，刺探軍事和經濟情報，挑撥上海各種勢力和幫派之間的矛盾，暗中運送軍火，為日軍大規模進攻華東地區做準備。

軍統上海站譚站長部署劫殺“千面媚諜”的任務，獵狐組的文組長和舒秀(陶宇佳 飾)等人臨危授命，在抓捕中文組長犧牲。舒秀將千面媚諜擊斃，本以為大功告成，但事實證明死者只是千面媚諜的替身，真正的千面媚諜潛入碼頭把軍火船炸毀，譚站長嘆息到現在還沒有搞清楚“千面媚諜”的真面目，因而抓捕多次失敗。潛伏在軍統內部中共黨員舒秀再次出擊，帶領特工們夜襲日本人的藏匿點，不料特工阿杰叛變，險些全軍覆沒。抓捕陷入僵局。總部特派員何成休(王一鳴 飾)帶來鏟除“千面媚諜”的計劃，利用一位叫袁天杰(徐洪浩 飾)的中國留日學生和他的日本妻子板井櫻子找到“千面媚諜”。各類情報顯示，板井櫻子很有可能是“千面媚諜”的活動替身，與此同時日本情報部門為了保障千面媚諜的安全也在部署刺殺在京都的袁天杰。

黑色蝶花劇照

京都舞臺上袁天杰與同學原塚正在畢業演出，他的表演教師也是他的岳父板井先生卻讓他馬上返回中國，袁天杰搞不清是怎么回事，這時殺手趕到，板井先生掩護袁天杰自己中彈身亡，袁天杰趁機逃了出來，一路躲避追殺，在軍統來接應特工的協助下，化妝成老男人形象巧妙的混上開往上海的貨輪，在底艙里又遇見到中國找男友的田間美惠子，途中兩個人相互幫助，貨船抵達上海碼頭。