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。
千代子用中文写遗书让王人杰意识到她已经发现了一些问题，以后让她写东西就更难了。赵梓梦见到李汉正后十分高兴，她相信自己暂时还能应付一段时间，她在北条荣一的办公室和资料室里没发现什么端倪。北条荣一看完薛博士送来的刺杀名单后将其烧毁，赵梓梦在门外和薛博士带来的巴队长发生冲突，北条荣一出来后命手下的人杀死了巴队长。
赵梓梦等北条荣一离开房间后潜入进去，见他要回来时赵梓梦假装在看报纸，北条荣一对她加以斥责，赵梓梦假装任务的失败使她丧失了信心，北条荣一感觉她的内心开始变的软弱起来，赵梓梦称自己需要时间调整更需要被爱护。赵梓梦意识到北条荣一卧室后面有密室，幸好她假扮带有挫折感觉的千代子才骗过北条荣一，李汉正见到她后交待她要学会迂回策略。
千代子意识到赵梓梦还活着，她承认了自己的身份，还提出用俘虏来换，王人杰让她给北条荣一写信。加乃感觉赵梓梦从重庆回来后机关里的很多规矩都忘了，赵梓梦去打开她的保险柜，因签名不符合不能办理存折，她称自己的右手受伤，见到负责人后她提出请小泉帮忙。赵梓梦见到小泉后知道他弟弟在华北战场死去，他向她提出借钱，她顺势答应下来。
王人杰带人在追踪敌特电台，到指定位置后发现有车胎的痕迹。在小泉的帮忙下赵梓梦成功打开了千代子的保险柜，她将钱交给小泉，他对于帮忙表示感谢，这样让赵梓梦成功地拿到了千代子的笔记，她要尽快学习她的笔迹。
王人杰将情况汇报给钟克，赵梓梦称她已拿到了千代子的笔迹，李汉正将千代子的笔迹拿给赵梓梦看，她看后发现是假的，李汉正意识到千代子已经识破他们的计划。李汉正发现他和赵梓梦会面被人跟踪，他让她回去后说他是在重庆认识的新欢，加乃派的和尚一直跟踪着李汉正，李汉正将他引入胡同，赵梓梦从背后将和尚打晕，和尚醒来后发现他们，李汉正被逼将他杀死，他指责了赵梓梦的盲目行为。