ДЕЙСТВИЕ ПЕРВОЕ
Лейтенант американского флота Пинкертон увлекся молоденькой японкой Чио-Чио-сан, прозванной Баттерфляй, что в переводе с английского означает «бабочка», и решил жениться на ней. Горо – профессиональный японский сват – показывает ему домик с садом, снятый для будущих супругов. Консул Шарплес напрасно предостерегает своего друга от опрометчивого шага. Лейтенант не слушает уговоров: «Срывать цветы, где только можно», – такова его жизненная философия. А Чио-Чио-сан горячо любит будущего мужа. Ради него она готова принять христианство и пойти на разрыв со своей семьей. В присутствии императорского комиссара начинается церемония бракосочетания. Ее прерывает гневный голос Бонзы, дяди Чио-Чио-сан, который проклинает племянницу. Оставленная близкими, девушка горько плачет, Пинкертон утешает ее.
ДЕЙСТВИЕ ВТОРОЕ
С тех пор прошло три года. Пинкертон уехал вскоре после свадьбы, Чио-Чио-сан страстно ждет его возвращения. Брошенная мужем, покинутая родными, она живет со служанкой и маленьким сыном, о существовании которого Пинкертон даже не подозревает. Чио-Чио-сан терпит нужду, но надежда не оставляет ее. Приходят Горо и Шарплес, который получил от Пинкертона письмо с просьбой подготовить Чио-Чио-сан к тяжкому известию: он женился на американке. Однако Шарплесу не удается дочитать письмо. Услышав, что муж здоров и скоро должен прибыть в Нагасаки, Чио-Чио-сан прерывает его радостным возгласом. Появляется принц Ямадори, за которого Горо усиленно сватает Чио-Чио-сан. Получив вежливый отказ, он вынужден удалиться. Шарплес советует ей принять предложение Ямадори, он намекает на то, что Пинкертон может и не вернуться, но вера молодой женщины непоколебима. Слышится пушечный выстрел – это в порт входит американский корабль, на котором должен прибыть Пинкертон.
В радостном волнении Чио-Чио-сан украшает домик цветами и, ожидая мужа, всматривается в огни приближающегося судна.
ДЕЙСТВИЕ ТРЕТЬЕ
Прошла ночь, но напрасно Чио-Чио-сан ждала. Устав, она отрывается от окна и, укачивая ребенка, засыпает. Раздается стук в дверь. Обрадованная служанка видит Пинкертона в сопровождении Шарплеса, но вместе с ними незнакомая дама. Шарплес открывает Сузуки правду: это жена Пинкертона, Кэт. Узнав, что у него есть сын, Пинкертон приехал, чтобы забрать его. Услышав голоса, Чио-Чио-сан выбегает из своей комнаты. Наконец она поняла случившееся. Потрясенная до глубины души Чио-Чио-сан выслушивает волю отца ребенка. Она согласна отдать мальчика, но не может пережить крушения всех своих надежд. Нежно простившись с сыном, Чио-Чио-сан убивает себя ударом кинжала.