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二十年代的旧上海，十里洋场，数不尽的爱恨情仇。一个名叫蓝依婷的男装丽人翩然现身上海滩，她自称早稻田大学硕士毕业，和娇憨活泼、身手不凡的虞小曼，以及外表风情万种却立志成为法医的刘艾琳不打不相识，开了一间小小的女子侦探所。上海法租界巡捕房的丁凯文探长年轻英俊，恃才傲物，无论如何无法忍受几个女人染指他的工作，处处与她们为难。岂料，蓝依婷的女子侦探所居然还无巧不巧地就开在了他家楼下，让丁凯文烦不胜烦。两人因“蓝蝶之谜”一案而结缘，渐渐从互相牵制到彼此欣赏、协同合作，暗暗的情愫正在一日日的滋生。
三十年代，中国上海，丁凯文探长让米宝去第二站台守着，以防草上飞溜走。草上飞男失女装偷东西时被蓝依婷发现，他想溜走时被丁凯文拦住，一群流氓上前要对付丁探长时被路过的蓝依婷出手相助，蓝依婷被带回警局做口供，草上飞也被抓获，蓝依婷在车站就发现草上飞是个男人，她将怀疑都说出来。
虞小曼感觉活着没啥意思，蓝依婷希望她能帮助她。蓝依婷赶到虞老板死亡现场时发现他的尸体不见了，她看出拖痕是仿造出来，她们追赶过去后现了虞老板的尸体，还和刘艾琳打斗起来，刘艾琳是想研究尸体，主要是破获蓝蝶案，蓝依婷怀疑它是否存在。丁凯文到九间房时只见到米宝，他总感觉有些蹊跷。
蓝依婷见到丁凯文后质问起来，他称巡捕房的人要对那里进行勘查，蓝依婷只好离开。丁凯文让米宝拖住来访的记者，蓝依婷回去后想着徐鹤亭的消失有些蹊跷，她看到账本在丁凯文手中，她猜出蓝蝶王抢了那些鸦片。丁凯文找蓝依婷质问门口记者之事，她称不是自己做的，还建议公开账本的秘密，这样可以打草惊蛇。
米宝带着吃的给虞小曼等人，他得知她们的情况。上海商会继续向巡捕房的马巡长施加压力，马巡长找沈丰斋打探，回去后向丁凯文询问蓝蝶案的进展，丁凯文称他无法保证如期破案。蓝依婷、虞小曼等人在街上遇到乞婆，蓝依婷看出破绽后被带到玛丽皇后西餐厅，餐厅老板说起穿着黑斗篷的人和一个女人来过，他们上楼后看到房间之中没人。
卓立轩让丁凯文给他一周时间，他准备娶麦玉，还让丁凯文做见证人。蓝依婷和虞小曼去了古宅的地下室，丁凯文喝完喜酒后离开，他骑在车上睡了过去。麦玉喝酒后也睡过去，卓立轩准备离开了。蓝依婷在地下室中发现了古琴，看到它让她想起和卓立轩在一起的时光，她抱起古琴拨弄起来，蓝依婷知道卓立轩没死。
蓝依婷称要抓他贩卖鸦片，沈丰斋将虞老大的身份说出来，他让人把蓝依婷扔到河里时丁凯文拿着枪出现，卓立轩没死，他突然出现在码头，这让蓝依婷很吃惊，沈丰斋开枪后引爆了卓立轩身上的炸药，沈丰斋被丁凯文抓到监狱，他这次被逮个人赃俱获。蓝依婷收到了包裹和信件，麦玉用身体压住了卓立轩才让他从火海中逃走，他在信中向蓝依婷告别，卓立轩早就做好必死的决心。
陈丹莉在葛林的陪伴下去了后花园，她独自进去时看到被关的人后急忙跑走，曹伯铭回去解释说是得了重病的佣人。丁凯文和蓝依婷跳舞时让刘艾琳看着心里和很难受，两人的舞姿赢得了其他人的鼓掌。跳舞时蓝依婷向丁凯文问起徐鹤这的死，她清楚他是被谋杀的，丁凯文的无可奉告让蓝依婷生气了，她坚持要将案子查下去。
蓝依婷扮成乞丐模样去街上要饭，她看到成群小乞丐在一起乞讨，她跟着他们过去避雨时见到了天灯，她叫他曹伯铭时天灯慌忙逃开，她不明白他为何要逃走，刘艾莉怀疑曹伯铭可能有精神病。丁凯文看出蓝依婷在想徐鹤亭的案子，他不明白她为何会执着于这个案件，蓝依婷将心里想法说出来。
曹伯铭看到长根给他写的信后就放心了，他在准备着迎娶陈丹莉，他看出她不高兴，陈丹莉说在上海只有一个亲戚，还让他赶快来见他。自称是陈丹莉亲戚的黄五在楼下被门童痛打一顿，曹伯铭让他随意收拾那些人，黄五上去去打那些门童，陈丹莉称他是自己的表哥，她提议让黄五干些花匠的活儿。
陈丹莉和黄五正憧憬着美好未来，浴室门悄无声息地被推开了，镜子里映出了曹伯铭皮笑肉不笑的狰狞面孔，黄五、陈丹莉吓得魂飞魄散。这时，蓝依婷和丁探长等人闻讯赶来，蓝依婷明显感觉到眼前的曹伯铭跟以前不一样了，她想起了乞丐天灯。
丁探长一把揪下了 “曹伯铭”的假发，原来他正是曹伯铭的双胞胎弟弟曹仲铭。曹仲铭将当年父亲死后、曹伯铭一心想毒死自己的事情告诉了丁探长，称是黄五杀了曹伯铭。可蓝依婷却说出了曹仲铭忽视的一个细节，而且丁探长还找到了一位现场的目击证人，曹仲铭无言以对，瘫在椅上。
白元禾的义子席子鲲从英国回来了，丁凯文见到老同学格外高兴。白元禾的儿子白文宾在父亲密室的抽屉里挑了个S字母蛇形戒指，打算吃饭的时候送给梅绮玲做订婚戒指，不想梅绮玲却被人绑架。此刻，在灵岩寨正举行一个神秘的 “进蛊”仪式丛岩秀盘腿坐在高处，下面篝火熊熊，一群戴着傩面具的人围着梅绮玲跳傩面舞。梅绮玲之后从丛岩秀口中得知，27年前，丛岩秀与白元禾一见钟情，随后他们有了孩子，可儿子生下来之后，白元禾却突然带着儿子离开了，丛岩秀发誓要报复白元禾。
蓝依婷找到丛岩秀，要她放了梅绮玲和刘艾琳，丛岩秀告诉她，梅绮玲已经回去了。梅绮玲的回来让白、梅两家又惊又喜，只有于红仙、于锦章兄妹冷眼对待。为了名正言顺，白文宾向梅绮玲求婚，并要举行订婚仪式。订婚当日，当白文宾将蛇形戒指给梅绮玲戴上时，在一边的席子鲲目瞪口呆。
梅绮玲回到家里主动帮忙煮汤圆，可席子鲲在吃完汤圆后突然发作，好像死去一样。刘艾琳检查后发现席子鲲是深度昏迷，马上叫车把他送进医院。鉴于梅绮玲的反常行为，白文宾带梅绮玲去找德国心理医生看病。梅绮玲在催眠之下无意识地说出了所有的秘密，白文宾无法接受。
蓝依婷得知席子鲲并没死，丁探长解释说席子鲲是想帮他找出凶手才诈死的。于红仙兄妹相继遇害，席子鲲对丁探长、蓝依婷等人表示自己亲眼见到梅绮玲和于红仙扭打，是梅绮玲把于红仙推倒的。可当所有证据都指向梅绮玲的时候，蓝依婷却觉得席子鲲的嫌疑最大，但是这个想法遭到了丁探长的驳斥。
白文宾在席子鲲的房间里找到一个藏在被子下面的面具，得知真凶就是席子鲲。席子鲲给白文宾讲了个故事当年他目睹了一群革命党人讨袁护国筹集义款的场面，他母亲摘下耳环和指上的蛇形戒指捐了。可后来这些革命党人就遭到暗杀和枪杀，只有白元禾还活着。他看到白文宾给梅绮玲戴上蛇形戒指时，才找到了答案。白元禾被捆绑在席家院子的照壁前，席子鲲历数他的罪恶，白元禾全部承认当年，那些人以年幼的白文宾威胁他，于是他出卖了革命党人。席子鲲不忍对白元禾痛下杀手，他将傩面具套在自己的脸上想自杀，却被冲进来的蓝依婷等人制伏，白元禾撞墙而死。
警察局的庆功典礼上，赈灾委员会会长张仁发不请自来，对丁凯文百般羞辱。之后，丁凯文告诉蓝依婷一段悲伤往事：他初恋情人吴小玉的哥哥当年被张仁发害死，小玉则在毁容后被扔进了黄浦江，丁凯文却一直找不到证据将张仁发捉拿归案。席子豪的尸体惊现八仙桥，其死状和当年吴小玉的哥哥一模一样。
丁凯文在旧案卷里查找当年吴小玉兄妹 “荆棘之刺”一案的线索，令他大感意外的是，席子豪竟然就是吴小玉兄妹的私塾老师。当年与吴小玉一起来到上海的，还有一个叫唐剑生的男人。
张仁发宴请马总巡长，可工部局秘书长孙一宁却当众揭穿张仁发贪污公款、将劣质米赈济灾民的丑事。唐剑生的尸体在提篮桥上被发现了，死状和席子豪如出一辙。
蓝依婷和丁凯文在地图上标出三个抛尸的地点，发现其中心竟然是当年吴小玉被强奸的第一现场，如今，那里已经成为一个鱼市场。鱼市场的守夜老头承认，他因贪图几个小钱，两次将鱼市场租借给席子豪和唐剑生。丁凯文警觉孙一宁的不正常，他拿着一条丝巾，要孙一宁打一个鸳鸯结，想从她打丝巾的手法判断她究竟是不是当年的吴小玉。
