Действие фильма разворачивается в 1917 году. В тюрьме небольшого русского городка ждет свой смертный приговор сербский офицер Олеко Дундич, приговоренный к смертной казни за то, что симпатизировал революционным агитаторам. Но началась революция, и Дундича выпустили. Олеко присоединился к восставшим и возглавил интернациональный эскадрон первой конной армии. Вскоре на долю Дундича выпало опасное задание — проникнуть в стан врага и захватить важные документы.
Действие оригинальной оперетты перенесено из Петербурга в Париж. Картина рассказывает о любви светской дамы-француженки Теодоры и циркача, который имеет романтическую тайну и выступает со смертельно опасным номером под именем «Мистер Икс». В мире Теодоры циркачей считают людьми третьего сорта, но Мистер Икс представляется ей без маски — под видом знатного графа. Виной тому становится подлость одного негодяя, который решил скомпрометировать Теодору.
«Мистер Икс» — советский музыкальный фильм по мотивам оперетты Имре Кальмана «Принцесса цирка».