六月里一個(gè)炎熱的傍晚，所有的窗戶都敞開(kāi)著，大學(xué)生亞瑟·勃爾頓正在比薩神學(xué)院的圖書(shū)館里翻查一大疊講道稿。院長(zhǎng)蒙太尼里神甫慈愛(ài)地注視著他。亞瑟出生在意大利的一個(gè)英國(guó)富商勃爾頓家中，名義上他是勃爾頓與后妻所生，但實(shí)則是后妻與蒙太尼里的私生子。亞瑟從小在家里受異母兄嫂的歧視，又看到母親受他們的折磨和侮辱，精神上很不愉快，卻始終不知道事情的真相。亞瑟崇敬蒙太尼里神甫的淵博學(xué)識(shí)，把他當(dāng)作良師慈父，以一片赤誠(chéng)之心回報(bào)蒙太尼里對(duì)自己的關(guān)懷。
當(dāng)時(shí)的意大利正遭到奧地利的侵略，青年意大利黨爭(zhēng)取民族獨(dú)立的思想吸引著熱血青年。亞瑟決定獻(xiàn)身于這項(xiàng)事業(yè)。蒙太尼里發(fā)現(xiàn)了亞瑟的活動(dòng)后十分不安，想方設(shè)法加以勸阻；但亞瑟覺(jué)得作一個(gè)虔誠(chéng)的教徒和一個(gè)為意大利獨(dú)立而奮斗的人是不矛盾的。在一次秘密集會(huì)上，亞瑟遇見(jiàn)了少年時(shí)的女友瓊瑪，悄悄地愛(ài)上了她。
蒙太尼里調(diào)到羅馬當(dāng)了主教，警方的密探卡爾狄成了新的神甫。在他的誘騙下，亞瑟在懺悔中透露了他們的行動(dòng)和戰(zhàn)友們的名字，以致他連同戰(zhàn)友一起被捕入獄。他們的被捕，連瓊瑪都以為是亞瑟告的密，在憤怒之下打了他的耳光。亞瑟痛恨自己的幼稚無(wú)知，對(duì)神甫竟然會(huì)出賣(mài)自己感到震驚，同時(shí)得知蒙太尼里神甫原來(lái)是他的生身父親，他最崇仰尊敬的人居然欺騙了他。這一連串的打擊使他陷入極度痛苦之中，幾乎要發(fā)狂。他一鐵錘打碎了心愛(ài)的耶穌蒙難像，以示與教會(huì)決裂。然后他偽裝了自殺的現(xiàn)場(chǎng)，只身流亡到南美洲。
在南美洲，亞瑟度過(guò)了人間地獄般的13年。流浪生活磨煉了亞瑟，回到意大利時(shí)，他已經(jīng)是一個(gè)堅(jiān)強(qiáng)、冷酷、老練的“牛虻”了。他受命于瑪志尼黨揭露教會(huì)的騙局。他用辛辣的筆一針見(jiàn)血地指出，以紅衣主教蒙太尼里為首的自由派實(shí)際上乃是教廷的忠實(shí)走狗。牛虻贏得了大家的喜愛(ài)。此時(shí)，他又遇見(jiàn)了瓊瑪，但瓊瑪已認(rèn)不出他了。
牛虻和他的戰(zhàn)友們積極準(zhǔn)備著起義。在一次偷運(yùn)軍火的行動(dòng)中被敵人突然包圍，牛虻掩護(hù)其他人突圍，自己卻因?yàn)槊商崂锏耐蝗怀霈F(xiàn)而垂下了手中的槍，不幸被捕。
牛虻的戰(zhàn)友們?cè)O(shè)法營(yíng)救他，但牛虻身負(fù)重傷，暈倒在越獄途中。敵人決定迅速將他處死。前來(lái)探望的蒙太尼里企圖以父子之情和放棄主教的條件勸他歸降；牛虻則動(dòng)情地訴說(shuō)了他的悲慘經(jīng)歷，企圖打動(dòng)蒙太尼里，要他在上帝（宗教）與兒子（革命）之間作出抉擇。但他們誰(shuí)都不能放棄自己的信仰。蒙太尼里在牛虻的死刑判決書(shū)上簽了字，自己也痛苦地發(fā)瘋致死。
刑場(chǎng)上，牛虻從容不迫，慷慨就義。在獄中給瓊瑪?shù)囊环庑爬�，他�?xiě)上了他們兒時(shí)熟稔的一首小詩(shī)：
不管我活著，
還是我死掉，
我都是一只。
快樂(lè)的飛虻！
至此，瓊瑪才豁然領(lǐng)悟：牛虻就是她曾經(jīng)愛(ài)過(guò)而又冤屈過(guò)的亞瑟。