意大利青年亚瑟，出身于富商家庭，但成年后毅然投身革命。由于疏忽，他在忏悔中泄漏了机密，导致战友被捕，令青梅竹马的女友婕玛误会，并痛苦地发现自己竟然是崇拜已久的蒙塔内利神父的私生子。这一连串的打击使他陷入极度痛苦之中。他一锤打碎了心爱的耶稣蒙难像，以示与教会决裂，然后伪装了自杀的现场，只身流亡到南美洲。在度过了地狱般的十三年漂泊生活后，无论是外表还是内心都发生了惊人变化的亚瑟化名“牛虻”，回到了意大利，成为一个坚定的革命者。他和战友们积极准备着起义，在一次偷运军火的行动中被敌人突然包围，牛虻掩护其他人突围，自己却因为蒙塔内利的突然出现而不幸被捕。面对前来探望的蒙塔内利，牛虻动情地诉说了他的悲惨经历，企图打动蒙塔内利，要他在上帝（宗教）与儿子（革命）之间做出抉择。但他们谁都不能放弃自己的信仰。最终，蒙塔内利在牛虻的死刑判决书上签了字，自己也心痛而死。就义前，牛虻给婕玛写了一封信，告诉她自己是亚瑟。