上海“一二八”事变后。日本帝国主义亡我之心不死，利用当时上海的特殊地理位置和复杂的社会关系千方百计地进行军事渗透，继续制造各种灾难和社会混乱。
灾难的罪魁祸首就是号称“千变媚谍”的日本特务。她躲藏在租界里，不断的变换各种身份，刺探军事和经济情报，挑拨各帮派之间的矛盾，暗中运送军火，为日军大规模进攻华东做准备。由于她的狡猾和诡诈，多次躲过了军统组织对她的追捕。
留学日本的舞台剧演员袁天杰在京都遭到莫名暗杀，就在他走投无路之时，得到了军统特工的协助，从日本偷渡回到上海。原来军统的目的就是想利用袁天杰来找到这个神秘的日本特务“千变媚谍”。军统对袁天杰进行特殊训练，并欺骗袁天杰说他在日本神秘失踪的妻子板井樱子是“千变媚谍”的下级，只有替军统找到“千变媚谍”才能换取樱子的平安，寻妻心切的袁天杰经历了种种考验，终于成为了军统特工，并在舒秀的领导下，启动了查找“千变媚谍”的新计划。
舒秀的真实身份是打入军统内部的共产党员，机智勇敢。中共党组织也一直关注和寻找着“千变媚谍”，舒秀和上级领导认真分析了袁天杰的情况，决定引导袁天杰走上抗日的道路。
黑色蝶花剧照
其实，“千变媚谍”正是袁天杰失散的日本妻子板井樱子。
为了查找“千变媚谍”，袁天杰化名“袁迪”做了演员，成为上海大明星姚芊芊的同事，在排练和演出中，袁天杰发现姚芊芊的身份扑朔迷离，各种事件的发生，都与姚芊芊有关，同时，袁天杰似乎又觉得姚芊芊与自己有着某种熟悉，姚芊芊的私人医生翁子安也成为了重大怀疑对象。
袁天杰四处查证，而此时姚芊芊却谎称患病要去南京治疗，临走前还在翁子安诊所做了一个奇怪的手术。袁天杰和舒秀认定有诈，决定伺机抓捕，却没想到姚芊芊在翁子安的掩护下成功离沪，并带走了叛徒余承南。舒秀和袁天杰将翁子安抓获，翁子安交代姚芊芊就是袁天杰的妻子“板井樱子”，她实际是被翁子安做了整形手术后，改头换面以演员姚芊芊的身份潜伏下来的日本军官……袁天杰得知真相后悔恨不已。
上海沦陷后，姚芊芊接受了日军的新任务，公开了自己的真实身份，从南京回到上海建立新的特务组织，继续迫害抗日志士，这一次，她故伎重演，把叛徒余承南易容，利用这张都谁不认识的脸，重新混入抗日组织，企图里应外合剿灭在上海的抗日力量……。
军统利用袁天杰窃取日军情报，却在生死关头对袁天杰弃之不顾，舒秀救下濒死的袁天杰。此时，袁天杰终于得知舒秀等人的中国共产党人的身份，在舒秀等人的帮助下，深明抗日大义，认清了板井樱子的丑恶嘴脸，决心摒弃私情，在共产党的领导下为中华民族铲除恶魔。
在舒秀和袁天杰的缜密侦查下，真相渐渐浮出水面，种种迹象表明 “樱子”其实就是神秘的“千变媚谍”，袁天杰也终于查清了板井樱子利用演员姚芊芊的身份，破坏抗日，杀害中国人民的一系列阴谋和罪行。
此时姚芊芊在上海扶植汉奸伪政权，杀害抗日民主人士，为了找到这个恶魔的下落，袁天杰与舒秀在中共党组织的领导下连环设局，利用敌人不清楚袁天杰的真实情况让袁天杰假意投敌，并和板井樱子夫妻相认，取得她的信任，利用公开的身份，暗中协助共产党员舒秀不断破坏日军行动，打击了敌人的嚣张气焰。
在党组织的统一部署下，袁天杰和舒秀等人破坏了日军新研制的高危炸弹，并与板井樱子展开一场恶战，舒秀为此献出了宝贵的生命，狡猾多变的“千变媚谍”也终于暴露在正义的阳光之下，被昔日的前夫袁天杰击毙。
在日本军国主义发动的这场罪恶的战争中，一对曾经的恩爱夫妻确成为了人生舞台上的仇敌。
