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。