Действие первое
Лейтенант американского флота Пинкертон, по делам службы оказавшийся в Японии, покупает дом, в котором собирается поселиться с будущей женой — Чио-Чио-сан. О своей страстной любви к Чио-Чио-сан он рассказывает американскому консулу Шарплесу.
Пинкертон намерен жить c ней «девятьсот и девяносто девять лет», но поскольку брак c японкой не будет действителен в Америке, у него сохранится возможность со временем жениться на американке. Легкомыслие Пинкертона расстраивает Шарплеса.
Шарплес уговаривает лейтенанта не губить жизнь молодой девушки и пытается убедить его во всей серьёзности обязательств, которые тот собирается взять на себя. Но Пинкертон равнодушен к увещеваниям консула.
Слышится смех японских девушек. Появляются Чио-Чио-сан и её подруги. Она представляет своих родственников и друзей Пинкертону и рассказывает, что ради него отказалась от религии предков.
Церемонию бракосочетания прерывает появление Бонзы, дяди Баттерфлай. Он проклинает вероотступницу. Родственники и гости c презрением покидают дом. Пинкертон нежно утешает Баттерфлай, уверяя её в своей искренней любви.
Действие второе
Прошли годы c тех пор, как Пинкертон уехал в Америку. И хотя нет от него никаких известий, Баттерфлай всё же верит в скорое возвращение мужа. Служанка Баттерфлай, Сузуки, молится перед изображением Будды. Чио-Чио-сан мягко журит её за обращение к божеству Востока. Входит Шарплес c письмом для Баттерфлай. Он получил его от Пинкертона c просьбой подготовить Чио-Чио-сан к известию о его женитьбе на американке. Однако Шарплеса прерывает появление Горо, который пытается сосватать Баттерфлай за богатого и знатного принца Ямадори. Вежливо, но твёрдо Баттерфлай отказывается от предложения принца. Когда же Шарплес осторожно спрашивает, что будет делать Баттерфлай, если Пинкертон оставит её, она c достоинством отвечает, что совершит самоубийство. Шарплес осознаёт: трагическая развязка неизбежна.
Внезапно со стороны залива доносятся пушечные выстрелы. Чио-Чио-сан видит приближающийся корабль и понимает, что вернулся Пинкертон. В ожидании любимого Баттерфлай помогает Сузуки украсить дом цветами сакуры. Она надевает своё свадебное платье. Но близится ночь, а Пинкертона всё нет.
Действие третье
Наступает рассвет. Утомлённая бессонницей, Баттерфлай уходит в свою комнату. В её отсутствие в доме появляются Пинкертон и Шарплес. Сузуки несказанно рада возвращению Пинкертона, но, заметив американскую женщину, которая сопровождает лейтенанта, предчувствует недоброе. Шарплес убеждает Пинкертона уехать и не встречаться c Баттерфлай. После нежного прощания c домом и своими воспоминаниями Пинкертон уезжает.
Когда Баттерфлай вбегает в комнату, то находит не Пинкертона, а Шарплеса c незнакомой женщиной. Увидев свою плачущую служанку, Баттерфлай понимает, что произошло. Американка Кэт, жена Пинкертона, умоляет Чио-Чио-сан отдать ей сына. В конце концов Чио-Чио-сан соглашается, но при условии, что Пинкертон сам попросит её об этом. Когда Шарплес и Кэт уходят за Пинкертоном, Чио-Чио-сан достаёт кинжал.
Простившись c сыном, она закалывает себя.
