小說的主人公亞瑟出生在意大利的一個英裔富商家中，名義上他是富商與后妻所生，但實則是后妻與神父蒙太尼里的私生子。亞瑟從小在家里受異母兄嫂的歧視，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。亞瑟崇敬蒙太尼里神父的淵博學(xué)識，把他當作良師慈父。當時的意大利正遭到奧地利的侵略，青年意大利黨爭取民族獨立的思想吸引著無數(shù)熱血青年。亞瑟決定獻身于這項事業(yè)。蒙太尼里發(fā)現(xiàn)了亞瑟的活動后十分不安，想方設(shè)法加以勸阻。但亞瑟覺得做一個虔誠的教徒和一個為意大利獨立而奮斗的人是不矛盾的。在一次秘密集會上，亞瑟遇見了少年時的女友詹瑪，悄悄地愛上了她。蒙太尼里調(diào)走當了主教，警方的密探卡迪接替了他的位置。在卡迪的誘騙下，亞瑟在懺悔中透露了他們的行動和戰(zhàn)友們的名字，以致他連同戰(zhàn)友一起被捕入獄。他們的被捕，連詹瑪都以為是亞瑟告的密，在憤怒之下打了他耳光。亞瑟痛恨自己的幼稚無知，對卡迪竟然會出賣自己感到震驚，同時得知蒙太尼里神父原來是他的生身父親，他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(fā)狂。最后，他偽造了自殺的現(xiàn)場，只身流亡到南美洲。在南美洲，他熬過了十三年水深火熱的日子。回到意大利時，他已經(jīng)是一個能文能武的“牛虻”了，成了一名堅定不移的革命者。他又遇見了詹瑪，但對方已認不出他了。
　　牛虻在一次偷運軍火的行動中被敵人突然包圍，為掩護其他人突圍，自己卻不幸被捕。蒙太尼里知道了他的身份，企圖以父子之情和放棄主教位置的條件勸他歸降；牛虻則動情地訴說了自己的悲慘經(jīng)歷，企圖打動蒙太尼里，要他在上帝與兒子之間做出抉擇。但他們誰都不肯放棄自己的信仰。最終，蒙太尼里在牛虻的死刑判決書上簽了字，自己也痛苦得精神失常，死于非命。
　　牛虻光榮就義之后，詹瑪方才得知他就是自己曾經(jīng)愛過而又冤枉過的亞瑟！