第一幕
宫殿前, 传令官宣读法令：「任何要想娶杜兰朵公主的王子必须正确地回答她的三个谜语。如果回答错误，一律斩首示众。而在月亮升起时，波斯王子将被斩首。」 大家听到消息后，民众涌向宫门，侍卫粗暴地推开他们，一个瞎眼的老翁被推倒在地上，老翁的女仆柳儿为了救老翁喊叫起来。一个年青人听到她的呼叫声马上过来帮忙，并且认出那位老翁就是他失踪已久的父亲。老翁是流亡在中国的鞑靼国王帖木儿，那个年轻人也就是鞑靼王子卡拉富。王子要求父亲不要透露他的名字，因为害怕征服多国的中国统治者知道。国王帖木儿告诉王子说，鞑靼国宫廷里的仆人中只有柳儿对国王仍旧忠心耿耿。王子问柳儿为什么还是那样忠心，她回答说，因为很久以前，王子曾向她微笑...... 月亮升起了，民众看到年轻英俊的波斯王子将要被斩首了，民众请求杜兰朵公主能够饶恕波斯王子。可是公主仍下令斩首。而杜兰朵公主的出现引起了鞑靼王子对公主的爱慕。鞑靼王子被公主的美貌深深打动。他决定要向公主求婚，当他走向铜锣并要敲打三下表示要娶杜兰朵公主的时候，三位中国大臣平、庞、彭挖苦他说：「你还是好好保住你的人头，趁早回到你的国家去吧。皇家坟墓已满，我们不要再有笨笨的外邦人了。」鞑靼国王帖木儿也劝告儿子打消这个念头。暗恋着王子的女仆柳儿也认为王子不该去冒回答公主谜语的风险。对柳儿的忠心王子很感动，王子对柳儿说: 如果他不能答对公主的谜语而被斩首，希望柳儿继续效忠父亲，减少流亡的痛苦。虽然三位大臣、帖木儿、柳儿多次劝告王子，但是王子已经下定心，任何人都劝说不了。王子三次大叫公主杜兰朵的名字。他冲向宫殿门前的铜锣，敲打了三下，宣布了向公主求婚。
第二幕
第一景
宫中凉亭。日出前，三位大臣（平、庞、彭）对自己的工作作出抱怨：每天要阅读很多文书，主持无数宫廷内的各种仪式，还要筹备盛大婚宴或者丧事。大臣平突然想念他在湖南的自然风景：他家旁边有湖，湖周围长满竹子。大臣彭想念他家乡的果园。大臣庞回忆他老家的花园。虽然三位大臣可以怀念他们的家乡，但是他们必须回到冷漠无情残酷的现实当中。他们不得不执行一些年青人的死刑，他们永远记得这些年青人的恐怖命运。宫廷里的乐器响起来了，皇帝将驾临，三位大臣作好迎接准备。
第二景
宫廷，白天。皇帝阿儿顿，杜兰朵公主的父亲，坐在御座上。他力劝那位求婚的王子撤回他的求婚决定，可是王子还是一意孤行。杜兰朵出来对众人自述她对于先人的不幸所感到的仇恨，说：她的祖先罗玉铃太后抵抗男人的霸道，把国家治理得很好，人民老百姓过着安居乐业的生活，直到有一天有一个入侵的外国王子强暴她，并且杀死她。长大后的杜兰朵公主发誓要为祖先报仇，她憎恨所有向她求婚的男人。杜兰朵公主劝告王子收回决定，但是王子对公主的爱意已定，无法收回。于是杜兰朵公主讲出了第一个谜语：「什么东西在晚上出生，而在黎明死去？」王子正确回答:「希望。」公主感到很惊讶地讲出了第二个谜语：「什么东西红如火，暖如火，又非火？」王子想了一会儿说：「热血。」公主听后更加震惊了，民众对王子的聪明自信喝彩，更加激怒了公主，公主接着讲出了第三个谜语：「什么东西冷如冰，烧起来热如火？」 正当王子思考的时候，公主很得意地逗弄着王子，以为王子肯定回答不了而被斩首，王子突然大声说：「这就是你杜兰朵公主！」民众立即欢腾起来呼唤着王子的胜利，公主随即跪在皇帝面前，哀求父王不要把她嫁出去。皇帝却坚持誓约是「神圣不可侵犯」，认为公主一定要按照誓约嫁给王子。正当公主悲痛万分之时，王子向公主提出了一个谜语：如果在日出前杜兰朵能说出王子的名字，她就可以处死他。
第三幕
第一景
宫中花园，晚上。在远处，宫廷中的传令官宣读杜兰朵公主的命令：今晚北京城内所有人都不能入睡，如果在天亮前仍然不知道王子的名字，那么全城的人都要被处死。三位中国大臣又再去见王子，他们说只要王子能放弃娶杜兰朵公主，他们就会给王子钱财和女人。但王子仍然回绝。接着，一群士兵拖出王子之父帖木儿和女仆柳儿。企图从他们的口中得知王子的名字，因为有人看见他们和王子说话。柳儿却宣称只有她才知道王子的名字，但是她不会透露的。大臣平用尽各种方法想从柳儿口中得知王子的名字，她坚持不说，于是受到拷打。她的行为打动了杜兰朵公主，杜兰朵公主就问柳儿「什么力量驱使你如此坚强？」柳儿回答「是爱。」。柳儿没有被屈服反而对杜兰朵公主说：「层层冰霜将你围住，一定会有火来熔化，你早晚会爱上他的！」 说完后，柳儿从一个士兵的腰带拔出短剑，向自己猛刺。由于帖木儿眼睛瞎了，起初不知道柳儿已死，经过旁人告诉他，他知道后在极度的痛苦中大哭起来。柳儿的尸体被抬走，悲痛的帖木儿和众人跟在后面走。当所有人都离开之后，剩下王子和杜兰朵。王子责备杜兰朵公主的残酷后把她抱在怀里并且强吻了她。王子决定以真挚的爱情去打动杜兰朵公主冷酷无情的心，他的一个吻点燃了公主心中的爱情之火，她希望王子带着这个神秘的爱离开，再不要提出什么问题，但是王子最终却把自己的真名「卡拉富」告诉了公主，他的命运已掌握在公主的手中，可以随时被处死。黎明时分已到。
第二景
杜兰朵公主却和卡拉富王子一同走到皇帝面前，杜兰朵公主宣布她知道王子的名字，王子的名字就叫「爱！」（Amore，在意大利文中即「爱」） 于是，众人齐声向这对新人欢呼鼓掌。
