1928年，伪满洲国的日本翻译伊丹英彦（仲村亨饰）离开中国情人丁慧（章子怡 饰）返回日本，数年后他再回中国来到上海时，变身高级特务。而此时丁慧已成为地下抗日组织的成员，并与该组织首领谢明（冯远征）相爱。抗日组织去火车站接从外地聘请的暗杀日本情报人员山本的杀手时，误认其为小职员司徒（刘烨 饰），混乱中，丁慧杀死司徒女友依玲（李冰冰 饰），司徒则被伊丹英彦抓获。
剧照对一系列遭遇无比迷惑的司徒被释放后，发誓要为依玲报仇。丁慧与伊丹英彦重逢，成为两股势力互相设局要利用的重要棋子，她本人正为误杀无辜饱受内心折磨。某个日本会所举办的舞会上，伊丹英彦告诉丁慧山本与谢明均已死，丁慧震惊想刺杀伊丹英彦之际，司徒持枪闯进舞会。
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章子怡饰演丁慧
后来改名叫辛夏，因其亲眼目睹哥哥被日本军杀害，而青梅竹马的男朋友又弃她而去远赴日本，于是下定决心加入地下党紫蝴蝶组织，成为了一支交际花。
刘烨饰演司徒
本是普通的市民，因为女朋友出事故而无意中进入了组织紫蝴蝶的一系列活动中，不幸被日军当成特务抓了起来，严刑拷打，最后真的变成了一个报效国家的特务，立了大功，成了民族英雄。
李冰冰饰演伊玲
司徒的女朋友，擅长跳舞，喜欢听音乐，在一场偶然的事故中丧失了生命。
仲村亨饰演伊丹英彦
本是丁慧的男朋友，因为会中日双语，于是前往日本当翻译官，多年后再次返回上海时，已经是日本军官伊旦十四。