Henri Charrière (Steve McQueen), es un ladrón de cajas fuertes apodado "Papillon" por el tatuaje de una mariposa en su pecho. En la Francia de 1933, es condenado erróneamente por el asesinato de un proxeneta y es sentenciado a cadena perpetua en el sistema penal de la Guayana Francesa. En el camino, conoce a un compañero de condena, Louis Dega (Dustin Hoffman), un infame falsificador y malversador que está convencido de que su mujer conseguirá su liberación. Papillon se ofrece a proteger a Dega si éste financia la fuga del primero una vez que lleguen a Guayana. Tras soportar los horrores de la vida en un campo de trabajo en la selva, los dos acaban haciéndose amigos.

Un día, Papillon defiende a Dega de un guardia sádico y escapa a la selva, pero es capturado y condenado a dos años de aislamiento. En agradecimiento, Dega le hace llegar comida extra a Papillon. Cuando se descubre el contrabando, el alcaide encierra la celda de Papillon en la oscuridad durante seis meses y reduce a la mitad sus raciones, creyendo que eso le obligará a revelar a su benefactor. Medio loco y reducido a comer insectos para sobrevivir, Papillon se niega a revelar el nombre de Dega. Finalmente es liberado y enviado a la enfermería de St-Laurent-du-Maroni para recuperarse.

Papillon vuelve a ver a Dega y le pide que organice otro intento de fuga. Dega le ayuda a conocer a un médico preso, que se ofrece a asegurarle un barco en el exterior con la ayuda de un hombre llamado Pascal. Su compañero Clusiot (Woodrow Parfrey) y un ordenanza gay llamado André Maturette (Robert Deman) se unen al plan de fuga. Durante la fuga, Clusiot queda inconsciente a manos de un guardia; Dega se ve obligado a someter al guardia y se une de mala gana a Papillon y Maturette, escalando los muros hasta el exterior. Dega se fractura el tobillo en la caída. El trío se encuentra con Pascal y escapan en la noche. Al día siguiente, en la selva, Pascal lleva a los prisioneros a su barco, pero después de marcharse los convictos descubren que es falso. Se encuentran con un trampero local (John Quade) que ha matado a los cazarrecompensas que les esperaban; éste guía a los tres hasta una colonia de leprosos cercana, donde obtienen provisiones y un barco apto para navegar.

El trío desembarca finalmente en Honduras y es abordado por un grupo de soldados, que abren fuego y hieren a Maturette. Éste es capturado junto con Dega, mientras que Papillon se ve obligado a huir. Papillon elude a los soldados y vive durante un largo periodo con una tribu nativa; una mañana se despierta y descubre que se han ido, dejándole un pequeño saco de perlas. Papillon paga a una monja para que lo lleve a su convento, donde pide refugio a la madre superiora, pero ésta lo entrega a las autoridades.

Papillon es devuelto a la Guayana Francesa y condenado a otros cinco años de aislamiento. Sale convertido en un anciano canoso junto a Maturette, a quien ve justo antes de que ésta muera. Papillon es entonces trasladado a la remota Isla del Diablo, donde se reúne con Dega, que hace tiempo que ha perdido toda esperanza de ser liberado. Desde un alto acantilado, Papillon observa una pequeña cala donde descubre que las olas son lo suficientemente poderosas como para arrastrar a un hombre al mar y a la cercana tierra firme. Papillon insta a Dega a unirse a él en otra huida, y los hombres fabrican dos flotadores con cocos embolsados. Mientras están en el lado del acantilado, Dega decide no escapar y le ruega a Papillon que tampoco lo haga. Papillon abraza a Dega por última vez y salta desde el acantilado. Agarrado a su flotador, es llevado con éxito al mar.

Un narrador afirma que Papillon logró la libertad y vivió el resto de su vida como un hombre libre. Sin embargo, la prisión no sobrevivió.

Hay numerosas diferencias entre el libro y la película; además de truncar la historia, Papillon no declaró haber comido bichos en la cárcel, y no estuvo en total oscuridad en el aislamiento.