上海“一二.八”事变后，日本帝国主义亡我之心不死，利用当时的特殊地理位置和复杂的社会关系千方百计的进行军事渗透，制造无数灾难，从而导致社会一片混乱。
灾难的罪魁祸首就是号称“千面媚谍”的日本特务。她躲藏在租界里，利用合法的身份做掩护，刺探军事和经济情报，挑拨上海各种势力和帮派之间的矛盾，暗中运送军火，为日军大规模进攻华东地区做准备。
军统上海站谭站长部署劫杀“千面媚谍”的任务，猎狐组的文组长和舒秀等人临危授命，在抓捕中文组长牺牲。舒秀将千面媚谍击毙，本以为大功告成，但事实证明死者只是千面媚谍的替身，真正的千面媚谍潜入码头把军火船炸毁，谭站长叹息到现在还没有搞清楚“千面媚谍”的真面目，因而抓捕多次失败。潜伏在军统内部中共党员舒秀再次出击，带领特工们夜袭日本人的藏匿点，不料特工阿杰叛变，险些全军覆没。抓捕陷入僵局。总部特派员何成休带来铲除“千面媚谍”的计划，利用一位叫袁天杰的中国留日学生和他的日本妻子板井樱子找到“千面媚谍”。各类情报显示，板井樱子很有可能是“千面媚谍”的活动替身，与此同时日本情报部门为了保障千面媚谍的安全也在部署刺杀在京都的袁天杰。
黑色蝶花剧照
京都舞台上袁天杰与同学原塚正在毕业演出，他的表演教师也是他的岳父板井先生却让他马上返回中国，袁天杰搞不清是怎么回事，这时杀手赶到，板井先生掩护袁天杰自己中弹身亡，袁天杰趁机逃了出来，一路躲避追杀，在军统来接应特工的协助下，化妆成老男人形象巧妙的混上开往上海的货轮，在底舱里又遇见到中国找男友的田间美惠子，途中两个人相互帮助，货船抵达上海码头。
黑色蝶花第2集剧情介绍何成休布置舒秀去码头接回袁天杰，接头暗号是手持红色汽球，板井樱子和中岛也安排日本特务们去码头劫杀。码头上卖花女引娣受到日本浪人的调戏，正巧遇到宏义堂的少东家旱天雷巡视码头，旱天雷教训了日本人救下引娣，引娣感谢旱天雷仗义执言，把手上所卖的红汽球送给了旱天雷，旱天雷十分高兴顺手又转发给了来码头接船的人们，这下可搞乱了接头的标志，袁天杰为了安全又化妆成老女人下船，舒秀和中岛均都没有接到袁天杰。
板井樱子秘密领导一个细菌武器研究小组，利用母亲曾研究的“罂粟美人”项目，暗中进行细菌武器的制造，袁天杰到上海后按照板井老师的临终嘱托找到了武器研制专家万崇喜处住了下来，“罂粟美人”的研究遇到制造上的难题，樱子准备绑架万崇喜。
上海大明星姚芊芊到陆军医院慰问伤病员，万崇喜的侄子万长官在“一二.八事变”的战斗中受伤，几年来久治不愈，医院也很为难，妳芊芊知道后提出把他转到医疗条件较好的翁氏私立医院治疗.因为那里的院长翁子安是她的好朋友肯定会倾力救助的，院长大为感谢。
在上海的中共组织杨炳华书记觉察到日本人在进行细菌武器的研制，根据上级的指示一面深入调查，一方面派中共党员余承南暗中保护万崇喜。舒秀四处寻找袁天杰，但几次都擦肩而过，万崇喜把“罂粟美人”的来龙去脉告诉了袁天杰，然后送侄子到医院，受到翁子安院长的欢迎殷切接待。
黑色蝶花第3集剧情介绍翁氏医院里，院长和医生给万长官作各种检查，余承南暗中保护着万崇喜，突然外面枪声大作，余承南忙出去察看，再返回时发现万宗喜不见了，原来是樱子派日本特务声东击西，把万崇喜劫特了，樱子软硬兼施，但万崇喜拒绝了樱子要他合作研制罂粟美人的要求，袁天杰到医院来找万崇喜被中岛发现，带人追杀到棺材铺被舒秀救下，但舒秀却受了伤。袁天杰跑回万崇喜家被守候在门里的日本特务抓住。
回去的途中遇到了租界里的巡警，袁天杰假装喝醉酒给巡警暗示，挑起特务们与巡警对射，袁天杰趁机脱身。舒秀负伤后躲入旱田雷的花船被旱天雷带回宏义堂家中治伤，两人化解了之前在码头的不愉快。袁天杰再次潜入到翁氏医院找万崇喜的侄子了解情况，知道了万崇喜把破解细菌武器的文件藏到汇东银行的保险箱里，这时日本特务赶来袁天杰只好离开，特务们把万崇喜侄子劫走，并搜出身上保险箱钥匙，樱子分析这个钥匙一定与万崇喜有关，说不定对研制细菌武器有用。
樱子命特务们进银行取保险箱里的东西，舒秀从袁天杰口中了解到万崇喜存有细菌武器的文件，决定直接到银行想办法，袁天杰与旱天雷都争着要去，舒秀已没了踪影。特务们在汇东银行保险箱里顺利取出文件，躲在暗处的舒秀冲了出来打倒特务抢走了文件。
银行外的日本特务把舒秀围住要抢回文件，舒秀拼死护住，这时袁天杰和旱天雷及时赶到解围，三个人搞到了这份重要文件但又看不明白。特务们丢了文件，樱子气极败坏，她残忍的利用万崇喜的侄子与万崇喜的血缘关系相威逼，万崇喜屈服了，答应帮助解决难题。
