共30集
《蝴蝶行动》讲述了1939年初，陪都重庆，女大学生赵欣梦在回家途中被相貌、穿着和自己完全一样的日本女特务千代子绑架。千代子是大特务北条荣一名义上的独生女，也是赵欣梦幼时失散的孪生姐姐。千代子偷梁换柱的计划很快败露，获救后的赵欣梦主动请缨冒充千代子潜回北条荣一身边做卧底，以其人之道还制其人之身。赵欣梦在明为国民党军统上尉实为共产党的李汉正帮助下，杀死了北条。千代子在重庆大轰炸中成功逃回上海，决心复仇并夺回自己的身份，却面对了身份与情感的双重幻灭，举枪自尽。面对孪生姐姐的遗容，赵欣梦悲从中来，如果当初被抱走的是自己，那今天的命运就会完全不同。抗战胜利后，赵欣梦想和李汉正一起前往苏北解放区加入共产党，组织上却决定让赵欣梦在国民党军统继续潜伏，以发挥更大的能量。
李汉正得到赵欣梦的消息，她和小泉带特务回到重庆救小松圭吾，赵欣梦想让军统的人等她们到重庆后把日本特务一网打尽。北条荣一找赵欣梦说了好多话，赵欣梦归心似箭，没有好好听北条荣一的话，只想快点回到重庆。
钟克得到美国人的请求，想要救出那个美国核心物理科学家，所以不让蝴蝶撤退，让蝴蝶继续潜伏执行任务。钟克开会商量，可以放掉小松圭吾，让赵欣梦的行动成功，然后再回到北条机关去，这样就让赵欣梦可以在北条机关再实施营救美国人的计划。
赵欣梦到了重庆想和重庆的人联系，而北条荣一让小泉监视赵欣梦，而且告诉他，如果发现赵欣梦有任何问题，可以处置她。所以赵欣梦没有机会把情报送出去。早上出发时，赵欣梦把情报写到手帕上，上车时丢了出去，军统知道了还有一批人马到了重庆，不要让蝴蝶暴露。所以要停止一切行行动，可是军统的人已经出发了。在小树林，军统的人都被日本的另一个小分队打死了，赵欣梦看着同胞死去，很心疼。
赵欣梦和小泉到了旅店，见到了李汉正，李汉正把要营救美国人的事告诉她，赵欣梦说要回家，不想再回上海了。李汉正耐心的讲解那个美国人的重要性，那是关于原子弹的事，如果日本人掌握了美国的科学家，以后就有机会得到原子弹的技术，那时世界将有大的灾难。赵欣梦同意了重返上海的事。并且知道了她们会顺利的救出日本人然后回到上海。小泉尼怀疑赵欣梦，找到她与李汉正见面的地方，她们还是顺利的逃了。
唐娜在乡下赌钱输得精光。要回上海。陈旧伤好出院，被安排在以前吴绍曾的房子里住。薛博士来找陈旧，说跟陈觉以前关系特别好，有机会带他去南京给他在财政部找个职位。
赵欣梦和小泉在茶馆等杨松来接头，突然的巡警来查，赵欣梦为了回到北条机关的任务不得不让小泉装病，骗过了巡警，保护了小泉。其实杨松来了，正想和她们接头，被巡警给搅了，赵欣梦说应该不是有人叛变，巡警只是巧合，所以决定还在旅馆等杨松。