1928年，伪满洲国的日本翻译伊丹英彦（仲村亨）在离开中国情人丁慧（章子怡）后返回日本。数年后，他再次回到中国的上海，却已经变身成高级特务。而此时，丁慧已经成为地下抗日组织的一员，并与该组织的首领谢明（冯远征）相爱

抗日组织计划前往火车站接应从外地聘请的暗杀日本情报人员山本的杀手。然而，在混乱中，误将司徒（刘烨）这位小职员错认为暗杀者，丁慧在情急之下竟然杀死了司徒的女友依玲（李冰冰）。与此同时，司徒也不幸被伊丹英彦抓获。

影片《紫蝴蝶》以动荡的历史背景为胶着点，以爱情与命运的交织为主线，展现了那个战火纷飞的年代里，人们所经历的痛苦与选择。在殖民与抗争的背景下，每个角色都在自己的信念与命运之间挣扎，彷徨不定。丁慧是一个坚定的抗日战士，她为了自己的国家与人民，义无反顾地投身抗日斗争。谢明则是抗日组织的领袖，他肩负着沉重的责任，却也要为自己的感情与爱情做出抉择。而伊丹英彦作为特务，身份复杂，内心亦是纠结不堪。每一个选择都意味着生死与未来的分岔路口，每一次抉择都承载着巨大的代价。