《蝴蝶行動》講述了1939年初，陪都重慶，女大學生趙欣夢在回家途中被相貌、穿著和自己完全一樣的日本女特務千代子綁架。千代子是大特務北條榮一名義上的獨生女，也是趙欣夢幼時失散的孿生姐姐。千代子偷梁換柱的計劃很快敗露，獲救后的趙欣夢主動請纓冒充千代子潛回北條榮一身邊做臥底，以其人之道還制其人之身。趙欣夢在明為國民黨軍統上尉實為共產黨的李漢正幫助下，殺死了北條。千代子在重慶大轟炸中成功逃回上海，決心復仇并奪回自己的身份，卻面對了身份與情感的雙重幻滅，舉槍自盡。面對孿生姐姐的遺容，趙欣夢悲從中來，如果當初被抱走的是自己，那今天的命運就會完全不同。抗戰勝利后，趙欣夢想和李漢正一起前往蘇北解放區加入共產黨，組織上卻決定讓趙欣夢在國民黨軍統繼續潛伏，以發揮更大的能量。