Французский дипломат во время «китайской культурной революции» проводит свой досуг в оперном театре, где встречает прекрасную певицу с невероятно чудесным голосом — Сон Лилин. Вскоре мужчина влюбляется в неё, несмотря на долгий брак с другой женщиной. Лилин и Галлимар выходят на новый уровень отношений, и между ними происходит сексуальный контакт на почве любовной страсти. Спустя некоторое время певица рассказывает Рене о том, что беременна и ждёт от него ребёнка. Увлечённый этой новостью, француз немного теряет голову, однако Сон заявляет, что вынуждена уехать далеко в одну деревню по традициям своей семьи и пребывать в ней всё время беременности. И лишь на третий месяц подрастания ребёнка та вернётся к своему возлюбленному.

Время шло, а революция в Китае набирала свои обороты. Все певцы, поэты и остальные творческие личности подвергались критике и преследованиям со стороны правительства и после поимки отправлялись в ссылку. Через некоторое время Рене встречает возлюбленную, видит своего сына, но китайские солдаты берут Сон Лилин под стражу и уводят вместе с ребёнком. Галлимар в отчаянии.

Оказавшись теперь обычным счетоводом, мужчина переезжает обратно во Францию, где поселяется в небольшую и бедную квартиру, пребывая некоторое время в депрессии. И тут он вновь встречает любимую женщину, которая покинула Китай и приехала якобы ради него. Но их счастью не суждено было длиться долгое время. Французская полиция берёт Рене Галлимара и миссис Сон Лилин под стражу, обвиняя обоих в шпионаже.

В ходе судебного процесса все узнают, что китайская певица, с которой дипломат был целых двадцать лет в отношениях, оказалась мужчиной, ещё и шпионом. Между М.Баттерфляй и Галлимаром происходит небольшой диалог в полицейском фургоне, где певец раздевается догола, признаваясь французу в своей любви, но будучи отверженным, начинает плакать, падая ниц. Рене сказал, что не может этого принять и что он влюблён в образ женщины, которую встретил очень давно в Китае.

Финальная сцена фильма рассказывает о сложных буднях в тюрьме, где мужчина даёт заключённым театральную постановку. Галлимар переодевается в японскую гейшу, рассказывая о том, что когда-то полюбил идеальную женщину, и убивает себя острым куском зеркала.