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。
日本房东把久我正雄来上海的报纸消息告诉千代子，千代子给久我正雄写了一封信让房东送给久我正雄。北条机关的人发现了千代子的藏身之地，赵欣梦和他两个人来到千代子住的房子，和千代子枪枪相对，赵欣梦打死了手下，把北条的机关的关于千代子身份的秘密文件给了千代子看，给她读当年妈妈生她们时的护士的日记。给她看赵延年临终给她们写的信，说千代子应该叫起千梦，向她道歉，没有在日本把她带回来，到现在，不想看到她们姐妹相残。不让欣梦伤害千梦，让她们能相依为命，主她们好好的生活下去。
赵欣梦拉着千代子的手喊姐姐。房东领着日本人小松和宪兵来到住处，想逮到千代子。她们被包围了，千代子为了掩护赵失梦走，告诉她从今天开始我是赵欣梦，你是千代子，假装劫持赵欣梦然后向宪兵开枪，被宪兵打死了。
赵欣梦在随后的几年里，和李汉正为中国人送了很多情报。1945年，日本人投降了，小松选择了剖腹。赵欣梦恢复了军统局的中国人的的身份。来找到刚要剖腹的小泉，告诉他自己是赵欣梦，小松气急败坏，想杀赵欣梦，赵欣梦打掉了他的刀，俘虏了他，让他受到中国人的审判。并告诉他北条千代子是中国人，她的名字叫赵千梦。
陈旧利用自己的军统身份和手下一起发汉奸财。他们让汉奸净身出户，把财产都给陈旧就把汉奸变成抗日地下组织的人员。
李汉正开车来到北条机关，说赵欣梦，真的了不起。钟克借工作之机把漂亮的唐娜收了。陈旧送了十七栋房产和一些存款单子给钟克。钟克说陈旧是他的老部下了，对他父亲的死表示歉意，陈旧的工作受到了军统的赞扬，敬陈旧一杯洒表示感谢，问陈旧有什么打算，钟克暗示他从今天以后要向当年追捕共产党一样，还做追捕工产党的工作。
李汉正获得了勋章，赵欣梦也获得了勋章，钟克表扬她成功的打入北条机关完成了很多任务，接着表扬了陈旧，也给他了一个奖章。赵欣梦私下跟李汉正说，陈旧是什么东西怎么能连长三级，李汉正说到了国共合作的事，陈旧找赵欣梦请她吃饭，赵欣梦拒绝了，陈旧说钟克下命令了，让赵欣梦做他的助手。
赵欣梦和唐娜见面，唐娜很意外，说赵欣梦太伟大了。赵欣林说听说她跟钟局长在一起了，说怎么才能帮帮她呢。