Acto I
Una colina desde la que se divisa la ciudad y el puerto de Nagasaki. Pinkerton, teniente de la marina norteamericana, ha negociado con el casamentero japonés Goro su boda con Cio-Cio-San, también conocida como Butterfly. La boda está a punto de celebrarse. Goro enseña a Pinkerton la casa que está incluida en el contrato de matrimonio y le presenta a sus futuros sirvientes, entre los cuales se encuentra Suzuki, la doncella de Butterfly. Aparece Sharpless, el Cónsul americano, con quien Pinkerton ha trabado amistad. La entrada de Butterfly, acompañada de sus amigas, obra un efecto mágico en los americanos. Con la llegada de los familiares y amigos de la novia se inician los sencillos ritos de la boda japonesa, que tiene como inesperado invitado al tío bonzo de Cio-Cio-San. Encolerizado al saber que su sobrina ha rechazado la religión de su familia y se ha convertido al cristianismo, la maldice y obliga a todos los parientes a renegar de ella. Butterfly rompe a llorar, lo que hace que Pinkerton pierda la paciencia y ordene a todos que abandonen la casa. A solas con su jovencísima mujer, intenta consolarla mientras cae suavemente la noche. Butterfly, que ha tenido que renunciar a todo cuanto tenía para convertirse en su esposa, se siente dichosa. Extasiada, se entrega a su marido.
Acto II
Han pasado tres años desde que Pinkerton dejó Nagasaki. Butterfly y Suzuki viven esperando su regreso. Suzuki ha perdido la esperanza, pero Butterfly se niega a creer que Pinkerton la ha abandonado y, convencida de su regreso, hace ver a Suzuki cómo será el día en que él vuelva a casa. Sharpless, que llega acompañado de Goro, comunica a Butterfly que ha recibido una carta de Pinkerton anunciando su regreso. La desbordante alegría de la japonesa impide a Sharpless contarle el verdadero motivo de su regreso. Goro, que durante los últimos meses ha intentado volver a casarla, anuncia la llegada de uno de los pretendientes, el adinerado Yamadori, pero Butterfly, exultante por el regreso de Pinkerton, lo rechaza. Sharpless intenta leerle el resto de la carta y hacerle ver que es posible que su marido venga con intenciones de no quedarse. Ella admite que entonces tendría que elegir entre volver a convertirse en geisha o quitarse la vida, pero está convencida de que cambiará de idea cuando vea al hijo que concibieron juntos. Suena el cañón del puerto que anuncia la llegada de un barco. Butterfly, muy nerviosa, comprueba desde lejos con Suzuki que se trata del de su marido y, anticipando su llegada, se apresura a engalanar con flores toda la casa y a vestirse con el traje de novia. Después viste al niño y lo sienta a su lado, junto a Suzuki, para que vea llegar a su padre. Cae la noche. Empieza una larga espera.
Acto III
Amanece. Suzuki y el niño se han quedado finalmente dormidos. Butterfly ha pasado la noche en vela. Cuando Pinkerton aparece acompañado de Sharpless, el júbilo se convierte en tristeza: Pinkerton se ha casado con una americana y viene para llevarse al niño a su país. Sobrecogida, pero manteniendo la dignidad, Butterfly consiente en entregar el niño a Pinkerton con una sola condición: que sea él quien venga en persona a recogerlo. Sharpless parte en busca de Pinkerton mientras Butterfly decide quitarse la vida con el mismo cuchillo con el que se suicidó su padre. Tras despedirse de su hijo, se retira detrás de un biombo y se atraviesa la garganta. Mientras se arrastra agonizando hacia el niño para besarlo por última vez, llegan Pinkerton y Sharpless. Butterfly extiende su brazo hacia el niño y muere. Pinkerton cae de rodillas a su lado. Sharpless coge al pequeño y lo abraza.
