ACTE I
Pinkerton, officier de marine américain en escale à Nagasaki, repoussant les avertissements du consul Sharpless (Duo: Amor o grillo), feint d'épouser Cio-Cio-San, dite Butterfly (papillon), une geisha de quinze ans, que son oncle, le Bonze, renie. Les deux nouveaux «époux» s'abandonnent à leur amour (Duo: Bimba dagli occhi).
ACTE II
Trois ans ont passé, et Cio-Cio-San attend vainement le retour de celui qu'elle croit être son mari, rêvant de l'arrivée de son navire (Un bel di, vedremo). Elle repousse les avances du prince Yamadori, car elle a eu un enfant de Pinkerton, qu'elle n'a pu en avertir. Sharpless, sachant que Pinkerton s'est entre-temps marié aux États-Unis, tente de la raisonner, mais Butterfly préférerait la mort à toute autre solution.
Le canon de la rade annonce l'arrivée du navire. Cio-Cio-San et sa servante Suzuki ornent la demeure (Duo: Scuoti quella fronda), mais elles attendent en vain, la nuit durant.
ACTE III
A l'aube, Cio-Cio-San se retire. Pinkerton se présente, ému de revoir le nid de ses amours fugitives (Addio, fiorito asil). Il réclame à Suzuki son enfant, que sa femme américaine est prête à élever. A Sharpless, Cio-Cio-San répond qu'elle ne remettra l'enfant à son père qu'elle-même. Elle dit adieu au garçonnet (Tu, tu, piccolo Iddio) et se fait hara-kiri avant le retour de Pinkerton.