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(孟醒 饰)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。