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。