这段传奇的故事发生在上世纪60年代的北京，法国驻北京大使馆的外交官高仁尼一直对中国文化有很深兴趣，觉得中国文化很独特也很神秘。业余时间他喜欢到剧院欣赏歌剧，就在他和妻子一起去观看由中国女伶宋丽玲主演的《蝴蝶夫人》（剧情是说一个日本妓女巧巧桑爱上一个美国海军军官，结婚后军官回了美国，将她遗忘并抛弃了，后来巧巧桑含恨自杀)后，深深吸引他的不是剧情和表演，而是舞台上那位有着一头乌黑长发、黄皮肤、黑宝石般晶莹双眼的中国女伶，她身上独有的东方女性神秘又迷人的气质，让他很快对她产生了兴趣。歌剧结束后，他在门口遇到了她，经过一番自我介绍后，迅速攀谈了起来，但是她表现得很冷漠，她怀疑他喜欢刚才主演的歌剧不是因为她的表现，而是符合西方人的征服欲望，以亚洲女人为征服对象的欲望。她还一个劲的埋怨他不懂历史，不懂中国曾经被日本侵略的历史。高仁尼对这个女人深深着迷了，一发不可收拾，他是常来拜访她，长久以来，宋丽玲也就对他产生了微妙的感情。之后的日子里，他频繁地接触她，只要有时间就会去戏台看望她，还经常送她回家，最终宋丽玲接受了他，两人后来相恋了。但是他不知道这段感情并没有带来真正的好结果，而是给他带来了灭顶之灾。他和她每晚在房间里柔情蜜意，她向他讲述中国的传统文化，中国女人的节操德行，用中国的传统待客方式招待他，让他这个法国男人不再用肉体的层面去看待她，而是被带入了一种被她营造出来的精神境界，用中国观念营造出来的境界，让他忘情地沉醉其中不可自拔。但是她请求他不要让她脱光衣服看到她的裸体，因为这在中国人的性观念中是大忌，他尊重她的观念，两人通过其他方式获得激情。对于他而言，他爱上了心仪的女子，这段特殊的婚外情是值得的，眼前的这个有内涵的中国女子是那么神秘又迷人，让人如此恋恋不忘捉摸不透。他被陷入得无法自拔，甚至和妻子离婚专心地爱着她。
再到后来，她告诉他，她怀孕了，她还说一定要为他生个男孩， 后面她果然生了一个男婴，让他喜出望外。但是她只让他看了孩子一眼，就把孩子带走了，说是老家的习俗必须把孩子带回乡下。后来，她又对他说，文革把所有戏子打成右派被发配到边疆劳改，这之后两人的相聚是少之又少，她临走前对他说，这段日子能与他相处是今生最大的快乐。这期间高仁尼为宋丽玲提供了非常多的国家情报，在他看来为爱的人做这一切都是值得的，在所不惜。后来他回到了巴黎，却因为工作失误被开除领事馆职位，后来他改行当了邮差，在他回家快到家门口时，他又遇到了久违的她，两人紧紧相拥。没过多久，他被传唤到法庭，因泄露国家机密罪被逮捕。审判庭上，此时的他又和宋丽玲相遇了，只不过这次的她不再是女子装扮，而是身着男装和他一样性别的男子。望着身穿男装的丽玲，仁尼感觉到了奇耻大辱。法院上，面对律师和法官的逼问，他无法回答，当初为什么察觉不到自己的情人是男儿身，而且是共产党派来的间谍，他已经向她无意间透露了大量的军事情报，因此被捉拿归案，而他的情人却对事实供认不讳，把动机过程解释得很详尽，那个孩子并不是他两的，而是共产党组织提供的弃婴，共产党利用她帮忙收集敌军情报，因此她兼有戏子和间谍的双重身份。他仍不敢相信这一切，这种荒廖至极的事居然发生在自己身上。在囚车里，她在他面前脱光了衣服，把自己的身体全部暴露在他眼前，向他解释了为什么之前不敢要他看自己裸体的事实。她祈求他的原谅，问高仁尼还爱不爱他？但是他不能面对这样的事实，高仁尼深受打击，他接受不了自己爱了二十多年的爱人是个男儿身。他绝望地说道：“男人爱男人，少了点什么。”也许自己爱上的只是一个完美的谎言。最后，他被关在了监狱里，宋丽玲则被遣返回国。终于，某一天他想通了，他买通狱卒让他们提供一些表演用的化妆品和假发等道具，他把自己打扮成舞台上的蝴蝶君，向各位狱友表演歌剧，然后把自己的经历用歌剧的形式诉说给了大家听，最深的爱、最痛的恨、最甜蜜的希望、最苍凉的失望，从来不是对别人，而是自己对自己的。我们与之周旋一生的，原来是自己。在大家的热烈掌声中，高仁尼用刀片割破喉咙自尽来作为谢幕，也是自己生命的谢幕。
这部电影改编自现实故事，剧中宋丽玲就是现实生活中一位集演员、间谍于一身的传奇人物时佩璞，而高仁尼就是伯纳德·布尔西科，曾经的法国驻中国大使馆官员。和现实一样，这部剧看起来漏洞百出，他俩在一起20多年高仁尼都不知道对方是男人，这看起来是如此荒唐。但是不可否认的是，高仁尼真的爱上了一个女人，只不过那个女人是男人扮的，宋也对他动了感情，只是这段感情不能长久，知道真相的高仁尼更不能接受这段畸恋，但是他对她的感情也不能算是正常的，最大的可能是两人都是同性恋，从头至尾没有欺骗与被欺骗，只是碍于当时的社会环境不敢公开，于是千方百计地找借口遮掩。宋曾经问过他，为什么他会看上她这个胸部平得像男孩子的女人，可他的回答是，不是平的像男孩，而是像中学女孩还没发育完全而已。宋经常对他诉说中国女人的地位地下，不被重视，几千年来一直受到不公正待遇，所以她对西方男人有种依赖感，因为西方男人有别于中国的男人，他们会比中国男人更尊重女性。高仁尼的行为看似在怜悯对方，代替剧中人来抚慰对方的伤痛，如果撇开意识形态的问题去看，高仁尼的悲剧是一则最为典型的因认识滞后而导致的悲剧案例。他用西方人的思维站在所谓西方人的立场上，臆造出一种逆向思维的产物——蝴蝶夫人，他所认知的所有关于东方女性的形象均是和西方的文化对比后得出的。他始终没有真正关照过东方文明的主体、东方人个体的差异、现实和幻象的区别。宋对高仁尼或许是真爱，可是高仁尼最终发现他不过是爱上了一个美丽的谎言，不是他真正期待的完美爱情。他的悲剧是集体无意识的悲剧也是个人无知的悲剧。