英國青年亞瑟在意大利壹所大學學習。他的父母去世了，他的兩個同父異母的兄弟控制了財產，所以他們對他很冷淡，他的大姐朱莉婭視他為眼中釘。唯壹能給他關心和安慰的人是他兒時的夥伴瓊瑪和愛他如子的蒙彼利尼神父。
意大利比薩神學院院長蒙彼利尼神父是亞瑟家族的老朋友。他學識淵博，為人高尚，亞瑟非常尊重和信任他。在壹個悶熱的夏夜，亞瑟和蒙彼利尼向他透露了他們打算加入在大學裏成立的秘密組織“青年意大利”，以抵抗奧地利統治，解放意大利二世。意識到危險，蒙彼利尼非常擔心，勸說亞瑟和他壹起去阿爾卑斯山采集標本，以便找機會說服亞瑟改變計劃。然而，雖然他們度過了壹個愉快的假期，但蒙彼利尼的願望並沒有實現。
不久，蒙彼利尼被天主教會任命為亞平寧山主教，這意味著他將離開亞瑟，繼任的新父親卡爾迪也難以信任。由於擔心亞瑟的安全，蒙彼利尼不願意離開。他希望亞瑟留住自己，但是亞瑟不理解他的良苦用心，勸他上任，他只好焦慮地離開。
瓊瑪和亞瑟在同壹所大學學習，她也是“青年意大利”的積極倡導者，所以她逐漸和這個團體的領導人之壹寶拉有了越來越多的交往。這讓亞瑟很嫉妒。他在懺悔中被卡爾迪神父欺騙，說出了意大利青年黨的壹些活動，還說出了寶拉的名字。不久，他和波拉被奧地利軍警逮捕。在獄中，亞瑟忍受了種種折磨，拒不招供，最終在哥哥的幹預下出獄。當他從獄卒那裏得知卡迪背叛了他，他的心靈受到了極大的刺激，對虛偽的宗教產生了懷疑。前來歡迎他出獄的瓊瑪誤以為亞瑟背叛了戰友，扇了他壹記耳光，憤然離去。
亞瑟剛回到家，就又遭受了壹次沈重的打擊。他試圖將他趕出家門的嫂子告訴了他壹個隱藏已久的秘密:亞瑟是她母親和蒙彼利尼的私生子！這個消息猶如晴天霹靂，粉碎了亞瑟對世界和宗教的所有美好記憶。他砸碎了家裏的耶穌雕像，留下遺書，最後躲在壹艘開往南美的船上，去了巴西。
13後，新即位的教皇為了收買人心，頒布了對政治犯的大赦令，自由主義熱潮席卷意大利。在南美漂泊數年的亞瑟歷盡艱辛，無論是外形還是外貌都發生了巨大的變化。只有他解放意大利、反對教會的信念沒有改變。在法期間，他化名列瓦·NVC，以“牛虻”為筆名，以筆墨為武器，繼續與反動勢力的鬥爭。這時，他應幾位意大利名人的邀請回到意大利，為他們寫諷刺文章。在壹個偶然的場合，瓊看到了他，心情難以平復。因為從他身上，她仿佛看到了年輕戀人亞瑟的影子。
瓊瑪看到亞瑟的遺書時深感震驚，認為自己傷害了亞瑟，久久不能原諒自己。現在，她渴望牛虻成為亞瑟，壹次又壹次嘗試，但牛虻感受到了過去的痛苦，拒絕承認。
牛虻的諷刺文章犀利甚至惡毒，對敵人毫不留情。新任紅衣主教蒙彼利尼以其謙遜的舉止和無可指責的美德贏得了許多人的好感，但牛虻仍然毫不留情地攻擊他，這讓許多人無法理解。
牛虻不想只是紙上談兵。他壹邊寫作壹邊組織起義。哎，準備起義，他去亞平寧山區走私軍火，被間諜發現了。他本可以在槍戰中逃脫，但由於蒙彼利尼的突然出現，他在猶豫的壹刻被捕。牛虻在獄中見到了蒙彼利尼，認出了他，讓他做出選擇:要麽離開教會與自己抗爭，要麽繼續做教會的忠實仆人，看著自己死去。蒙彼利尼無法說服牛虻。經過壹番痛苦的思考，他最終選擇了後者。
牛虻不屈的精神感動了監獄看守，他們自願給瓊瑪帶來壹封信。在信中，牛虻終於原諒了瓊瑪，承認她是亞瑟，並向他表達了她永恒的愛。牛虻壯烈犧牲後，喪子之痛和深深的悔恨摧毀了蒙彼利尼的意誌。在復活節做了壹場瘋狂的演講後，他在憂郁的情緒中死去。