《紫蝴蝶》将故事背景置于1930年代动荡的上海。日本翻译伊丹英彦（仲村亨饰）离开旧爱丁慧（章子怡饰）数年后，以高级特务身份重返上海；而丁慧已成为地下抗日组织成员，并与首领谢明（冯远征饰）相恋。一次火车站接应行动中，组织误将普通职员司徒（刘烨饰）认作杀手，混乱中丁慧错杀司徒女友依玲（李冰冰饰），司徒则被伊丹逮捕。获释后的司徒…