40年代末，研究现代武器的著名科学家任珩教授从美国秘密出走。国民党保密局站长吴锦中指派代号“白蝴蝶”的女杀手白雪前去劫持。吴锦中告诉白雪，任教授的侄女任玉兰、任玉竹姐妹将去湛江迎接她们的伯父。任玉兰是中共保卫局的特工人员；任玉竹是清华大学的学生。在湛江码头，白雪冒充玉竹将刚刚下船的任教授骗上了北上的列车。列车在夜色中行驶至一个小站停下，教授打开车窗，不料被窗外两双黑手拉出窗外。白雪疾速出拳攻击黑衣人，从一名被她打死的黑衣人特征发现，对手是长发女匪。另一黑衣女匪将教授押上小船向远处的小岛驶去。岛上一座教堂的顶端飘荡着一面“圣母军”的黑旗。厅内四名持枪的黑衣侍卫站在女匪首两侧。追踪而至的白雪用迷蒙香将众人迷倒，带着教授向海边跑去，众女匪紧紧追赶。正巧海上驶来一只小船，白雪不问情由拉着教授登上了船。不料，这竟是日本海盗船。得知教授被劫，任玉兰与护送过教授的朝鲜青年金永乐一起率队员追至黑龙会老巢，一场激战后击毙了匪首龟田。白雪趁双方混战之机，再次将教授带走。教授被白雪关进了国民党保密局的一处秘密联络点——悦来客栈。改装的金永乐和任玉兰在街头设计营救教授的行动路线；与此同时，黑旗圣母军的金鹰跟踪而来，双方在教堂内一试身手。玉兰突然认出金鹰原来是自己的妹妹玉竹。姐妹相认，决定联手营救教授。为金钱而争夺教授的女匪首与白雪达成协议，合击金永乐。面对武功怪异的女匪，金永乐渐感招架不住。突然，教授出手亮相，打得女匪及白雪慌忙逃窜。经过一番激烈的搏斗，任玉兰等人终于将白雪制服。原来，白雪苦苦追劫的教授，竟是金永乐的武师朴禹。待白雪明白过来，收音机里已传来任教授安全抵达北京的新闻。白雪绝望中夺枪自毙。