留学日本的舞台剧演员袁天杰(徐洪浩 饰)在日本的妻子神秘失踪。袁天杰回国寻妻却被军统训练成为特工，他和潜伏在军统内部的共产党员舒秀(陶宇佳 饰)一起接受了寻找日本特务“千面媚蝶”的任务。大明星姚芊芊(袁志博 饰)的身份扑朔迷离，似乎和神秘的“千面媚蝶”也有某种联系。通过侦查和分析，舒秀和袁天杰得知姚芊芊是被她的私人医生翁子安做了整形手术后潜伏下来的日本军官，她在上海暗杀多名优秀的爱国人士，舒秀带领袁天杰等人在中共党组织的领导下与之展开殊死搏斗，最终改头换面成姚芊芊的“千变美娘”原形毕露，她其实就是袁天杰苦苦寻找的日本妻子。最终，正义战胜邪恶。