Der Film beginnt Anfang der 1930er Jahre mit der Deportation von etwa hundert Gefangenen aus Frankreich in die Strafkolonie Französisch-Guayana. Die Häftlinge sollen nach Beendigung ihrer Haftstrafe als Kolonisten in der Verbannung in Guayana verbleiben. Unter den Gefangenen ist auch Henri Charrière, der wegen seines auf die Brust tätowierten Schmetterlings (des Zeichens für Freiheit) Papillon genannt wird. Wegen Mordes an einem Zuhälter, den er jedoch bestreitet, wurde er zu lebenslanger Haft verurteilt.

Schon während der Überfahrt hat er erste Fluchtgedanken. Er freundet sich mit dem Fälscher Louis Dega an und rettet ihm das Leben, als dieser von zwei Mithäftlingen überfallen wird. In Saint-Laurent angekommen, werden die Häftlinge in das dortige Durchgangslager verbracht; Dega und Papillon werden zum schweren Arbeitsdienst eingeteilt, da einer der Lagerleiter durch Degas gefälschte Kriegsanleihen viel Geld verloren hat.

Von ihrem Mithäftling Clusiot erfahren sie, dass mehrmals im Monat ein Mann namens Richter in das Lager kommt, um von den Sträflingen Schmetterlinge, u. a. den blauen Morphus, fangen zu lassen. Papillon kauft von Richter ein Boot, doch bei der Übergabe wird er wegen Fluchtversuchs festgenommen und in Einzelhaft auf die Insel Saint-Joseph verbracht. Nach einiger Zeit gelingt es Dega, Papillon Kokosnüsse in die Zelle zu schmuggeln, doch die Wärter kommen dahinter und ordnen ein halbes Jahr Dunkelhaft für Papillon an. Da Papillon Dega nicht verrät, wird seine Verpflegungsration halbiert.

Papillon kommt zur Krankenstation, wo er wieder auf Clusiot trifft. Dieser hat über den Radiologen des Lagers erneut ein Fluchtboot für Papillon organisiert. Mit Hilfe des Röntgenarztes beginnen Papillon, Clusiot und Maturette die Flucht. Clusiot wird jedoch von einer Wache gestellt und verletzt. In letzter Sekunde entschließt sich Dega ebenfalls zur Flucht und überwältigt die Wache. Zusammen mit der Kontaktperson fliehen die drei in die küstennahen Sümpfe. Das gekaufte Boot ist jedoch völlig morsch, zudem hat sich Dega bei der Flucht den Knöchel gebrochen.

Sie treffen auf einen im Gesicht tätowierten Vogeljäger, der sie zur Taubeninsel bringen will, wo die Flüchtigen von Leprakranken ein Boot kaufen können. Der Anführer der Leprakolonie gibt den dreien ein Segelboot und etwas Geld, sie stechen Richtung Honduras in See. Nach einer rauen Überfahrt legen sie an einem unbekannten Strand an, werden jedoch sofort von Soldaten gestellt. Nur Papillon und ein Gefangener, den die Soldaten eskortiert haben, können in den Dschungel entkommen. Die Soldaten setzen vier Hasteros (einheimische Fährtensucher und Jäger) auf die Flüchtigen an. Während der Flucht wird der Gefangene von einer Falle aufgespießt. Papillon wird von Blasrohrpfeilen getroffen, fällt in einen Fluss und wacht in einem Indiodorf wieder auf.

Dort freundet er sich mit einer jungen Frau namens Zoraima an und darf als Vertrauensbeweis dem Häuptling einen Schmetterling auf die Brust tätowieren. Als Papillon eines Morgens aufwacht, ist das Dorf verlassen. Man hat ihm jedoch einige wertvolle Perlen hinterlassen. Mit dem Bus fährt er ins Landesinnere und überquert mit Hilfe einer Nonne die Grenze nach Kolumbien. Im Kloster glaubt er Unterschlupf zu finden. Doch nachdem Papillon der Äbtissin seine Perlen als Pfand ausgehändigt hat, verrät diese ihn an das Militär. Kolumbien liefert Papillon an Frankreich aus, und er muss für weitere fünf Jahre in Einzelhaft.

Nach seiner Entlassung aus der Einzelhaft trifft er im Gefängnisinnenhof seinen damals am Strand angeschossenen Fluchtpartner Maturette wieder, als dieser mittlerweile im Sterben liegt. Papillon wird auf die Île du Diable (Teufelsinsel) gebracht, wo er den Rest seiner Strafe verbüßen soll. Hier können sich die Gefangenen frei bewegen, da Strömung und Haie eine Flucht unmöglich machen. Papillon trifft auf seinen alten Freund Dega, welcher Schweine hält und in seinem Garten Gemüse züchtet.

Sie wollen zusammen mit Säcken voller Kokosnüsse von einer Klippe in die Freiheit springen. Während Dega im letzten Moment zögert, folgt Papillon seinem unbeugsamen Freiheitsdrang. Und schließlich gelingt ihm laut Stimme aus dem Off die Flucht von der Teufelsinsel. Im Abspann sieht man das 1951 aufgegebene Gefangenenlager.