Acto I
El sol se pone sobre el palacio imperial en un Pekín mítico. Un mandarín declara que cualquier príncipe que desee casarse con la princesa Turandot tendrá que resolver sus tres enigmas. A los que fallen se les cortará la cabeza. El fracasado príncipe de Persia será ejecutado a la salida de la luna. El pueblo clama por su sangre y es violentamente rechazado por los guardias del palacio. En el tumulto, la esclava Liù pide socorro para levantar a su señor, Timur, caído en el suelo. Un joven príncipe tártaro los ayuda y reconoce a Timur como su padre. Ambos, disfrazados, se vieron obligados a huir de su país natal. Solo Liù ha permanecido al lado de Timur por amor al príncipe que le sonrió una vez. La muchedumbre se anima cuando los sirvientes del verdugo afilan su espada para decapitar al príncipe persa, pero cuando él aparece su belleza sorprende a la multitud y los vítores por su muerte se convierten en súplicas por su vida. El desconocido príncipe tártaro quiere echar una maldición a la cruel Turandot. Sin embargo, cuando ella aparece para ordenar la ejecución, él se enamora de su fría belleza y decide enfrentarse a los enigmas de la princesa. Tanto Timur como Liù le suplican que no arriesgue su vida, pero su corazón arde de deseo. Los ministros del emperador, Ping, Pang y Pong, también intentan disuadir al príncipe. Sin embargo, sus súplicas son en vano. Liù se lamenta de que la muerte del príncipe le rompería el corazón, pero él la consuela y le pide que, por su sonrisa, ella siga cuidando de su padre. El príncipe está decidido a enfrentarse a la prueba. El pueblo de Pekín se alegra al pensar en otra ejecución. El príncipe golpea el gong y declara así su intención de cortejar a Turandot.
Acto II
Por la noche, en un pabellón del palacio. Ping, Pang y Pong están aburridos de su vida en la corte: preparaciones interminables de la boda de Turandot o el funeral de sus pretendientes. Sueñan con una vida más sencilla en sus haciendas rurales, lejos de la princesa, que ha trastornado el equilibrio de la antigua China con sus ansias de sangre. Los ministros imaginan la paz de la que disfrutarían si Turandot encontrara a un marido para satisfacer su pasión, aunque se resignan a que otro príncipe vaya a perder su cabeza. El sol sale en una plaza dentro de la muralla del palacio mientras la corte imperial se reúne. El emperador mismo intenta disuadir al príncipe desconocido. Sin embargo, él insiste y el emperador lo abandona a su destino como castigo a su obstinación. Turandot aparece y explica la razón de su crueldad. En la antigüedad, su antepasada Lo-u-ling fue violada y asesinada por un extranjero, un príncipe tártaro. Como venganza, Turandot resuelve quitarle la vida a cualquier hombre que desee hacerla suya. Ella también intenta disuadir a su nuevo pretendiente en vano, y expone sus tres enigmas. Para su horror, y ante el entusiasmo de la multitud, el príncipe los resuelve todos. Él gana la prueba, pero Turandot le ruega a su padre que no la entregue a este extranjero. El emperador insiste en defender que su juramento es sagrado. Sin embargo, por lástima, el príncipe le ofrece a la princesa su libertad y su cabeza si ella descubre cuál es su nombre antes del amanecer. Turandot acepta el reto y su padre mantiene su esperanza de que al amanecer el príncipe sea su yerno.
Acto III
El príncipe desconocido está solo por la noche en los jardines de palacio. Turandot ha condenado a muerte al pueblo de Pekín en caso de que no se descubra el nombre del príncipe. Sin embargo, este sabe que su identidad está segura y que saldrá victorioso. Ping, Pang y Pong intentan sobornarlo para que se vaya, mientras que el pueblo de Pekín amenaza al príncipe si no revela su nombre. Llevan a Timur y Liù ante el príncipe. Los habían visto con él, y creen que podrían conocer su identidad. Turandot les pide su nombre. Para proteger a Timur, Liù confiesa que solo ella lo sabe. La torturan, pero se niega a hablar, y alega que el amor hacia el príncipe le da fuerza. Asegura a Turandot que también ella aprenderá a amar. Antes de que continúe la tortura, Liù, temerosa de derrumbarse, coge el puñal de un guardia y se suicida. En su desesperación, Timur declara que el alma de la esclava se vengará de todos, y la multitud temerosa intenta aplacar el espíritu de la fallecida llevándola en una procesión fúnebre. Dejan a Turandot y al príncipe a solas. Este reprocha a Turandot su crueldad. Después, a pesar de sus protestas, le quita el velo y la besa. Abatida, Turandot admite que la confianza del príncipe la ha llenado con una mezcla de miedo y amor. Vencida, le pide que la deje. Victorioso, el príncipe le ofrece su vida y revela su nombre al amanecer: Calaf. Con el destino del príncipe en sus manos, Turandot se regocija. En la plaza del palacio, Turandot anuncia que ha descubierto el nombre del príncipe. Pero en lugar de entregarlo al verdugo, ella declara: «¡Su nombre es Amor!». La multitud celebra el triunfo del amor.
