六月裡一個炎熱的傍晚，所有的窗戶都敞開著，大學生亞瑟·勃爾頓正在比薩神學院的圖書館裡翻查一大疊講道稿。院長蒙太尼裡神甫慈愛地注視著他。亞瑟出生在義大利的一個英國富商勃爾頓家中，名義上他是勃爾頓與後妻所生，但實則是後妻與蒙太尼裡的私生子。亞瑟從小在家裡受異母兄嫂的歧視，又看到母親受他們的折磨和侮辱，精神上很不愉快，卻始終不知道事情的真相。亞瑟崇敬蒙太尼裡神甫的淵博學識，把他當作良師慈父，以一片赤誠之心回報蒙太尼裡對自己的關懷。

　當時的義大利正遭到奧地利的侵略，青年義大利黨爭取民族獨立的思想吸引著熱血青年。亞瑟決定獻身於這項事業。蒙太尼裡發現了亞瑟的活動後十分不安，想方設法加以勸阻；但亞瑟覺得作為一個虔誠的教徒和一個為義大利獨立而奮鬥的人是不矛盾的。在一次秘密集會上，亞瑟遇見了少年時的女友瓊瑪，悄悄地愛上了她。

蒙太尼裡調到羅馬當了主教，警方的密探卡爾狄成了新的神父。在他的誘騙下，亞瑟在懺悔中透露了他們的行動和戰友們的名字，以致他連同戰友一起被捕入獄。他們的被捕，連瓊瑪都以為是亞瑟告的密，在憤怒之下打了他的耳光。亞瑟痛恨自己的幼稚無知，對神甫竟然會出賣自己感到震驚，同時得知蒙太尼裡神甫原來是他的生身父親，他最崇仰尊敬的人居然欺騙了他。這一連串的打擊使他陷入極度痛苦之中，幾乎要發狂。他一鐵錘打碎了心愛的耶穌蒙難像，以示與教會決裂。然後他偽裝了自殺的現場，隻身流亡到南美洲。

在南美洲，亞瑟度過了人間地獄般的13年。流浪生活磨鍊了亞瑟，回到義大利時，他已經是一個堅強、冷酷、老練的“牛虻”了。他受命於瑪志尼黨揭露教會的騙局。他用辛辣的筆一針見血地指出，以紅衣主教蒙太尼裡為首的自由派實際上乃是教廷的忠實走狗。牛虻贏得了大家的喜愛。此時，他又遇見了瓊瑪，但瓊瑪已認不出他了。

牛虻和他的戰友們積極準備著起義。在一次偷運軍火的行動中被敵人突然包圍，牛虻掩護其他人突圍，自己卻因為蒙太尼裡的突然出現而垂下了手中的槍，不幸被捕。

牛虻的戰友們設法營救他，但牛虻身負重傷，暈倒在越獄途中。敵人決定迅速將他處死。前來探望的蒙太尼裡企圖以父子之情和放棄主教的條件勸他歸降；牛虻則動情地訴說了他的悲慘經歷，企圖打動蒙太尼裡，要他在上帝（宗教）與兒子（革命）之間作出抉擇。但他們誰都不能放棄自己的信仰。蒙太尼裡在牛虻的死刑判決書上籤了字，自己也痛苦地發瘋致死。

刑場上，牛虻從容不迫，慷慨就義。在獄中給瓊瑪的一封信裡，他寫上了他們兒時熟稔的一首小詩：

不管我活著，

還是我死去。

我都是一隻牛虻，

快樂地飛來飛去