主人公亚瑟出生在意大利富商家,是富商后妻与神父蒙太尼里的私生子。亚瑟受异母兄嫂的歧视,却不知道真相。亚瑟崇敬蒙太尼里神父,把他当作良师慈父。当时意大利正遭到奥地利的侵略,亚瑟决定参与青年意大利党争取民族独立事业。蒙太尼里调走后,新神父卡迪诱骗亚瑟,使他在忏悔中透露了他们的行动和战友们的名字,他连同战友一起被捕入狱。女友詹玛误以为亚瑟告密,打了他耳光。同时亚瑟得知自己竟然是私生子,陷入极度痛苦中,于是流亡南美洲。

十三年后,他重回意大利,已经成为一个坚定不移的革命者,文武双全的“牛虻”。一次行动中,他被捕入狱。蒙太尼里企图以父子之情和放弃主教位置的条件劝他归降；牛虻则企图以自己的悲惨经历,让蒙太尼里在上帝与儿子之间做出抉择。但他们谁都不肯放弃自己的信仰。最终,牛虻就义,蒙太尼里也痛苦得精神失常,死于非命。

书中亚瑟坚定的意志让人震撼并感动。亚瑟和生父蒙太里尼复杂的亲情纠葛、亚瑟和少年女友詹玛的曲折爱情,读来回味无穷。