Acto I
Durante tu estancia en Nagasaki, el subteniente estadounidense Pinkerton se ha encaprichado de Cio-Cio-San, una joven japonesa con la que ansía casarse. Sin embargo, este matrimonio podría disolverse cuando él quisiera. Puesto que ella está realmente enamorada, el cónsul Sharpless intenta, inútilmente, impedir el enlace. Tras la boda, aparece su tío el monje recriminándola su traición, ya que se ha enamorado de un extranjero y se ha convertido al cristianismo. Ante su tristeza, su esposo la consuela. Él es el único que la podrá apoyar.

Acto II
Pinkerton ha regresado a su país y Cio-Cio-San lleva esperándole tres años sin tener noticias de él, pero ella espera paciente y confiada. Sharpless la visita para contarle que ha recibido una carta de Pinkerton en la que dice que se ha casado, de nuevo, con una mujer americana y que vendrá con ella a Japón. Cuando se dispone a contárselo, aparece el príncipe Yamadori para pedirle en matrimonio. Ella dice que no, ya que se siente atada a su marido todavía. Una vez el príncipe se ha ido, Sharpless le cuenta a Cio-Cio-San el contenido de la carta y ésta queda fulminada. Desesperada, le muestra el hijo que tuvo con Pinkerton, de cuya existencia el cónsul no tenía conocimiento. Se oye un cañonazo que anuncia la llegada del esperado barco.
A pesar de todo, Butterfly tiene la esperanza de que Pinkerton, al verla, deje a su nueva mujer y regrese a su lado. Rápidamente, se dispone a decorar la casa con flores para recibir a su amado y, después, se dispone a esperarlo, en vela, durante toda la noche.

Acto III
A la mañana siguiente, Butterfly sigue esperando a su amado esposo. Pero es inútil. Finalmente, Pinkerton se acerca, vacilante, a la casa de Cio-Cio-San acompañado por el cónsul.
La sirvienta Suzuki le ve y se dispone, ilusionada, a avisar a Butterfly pero, entonces, observa como detrás de él viene una mujer desconocida. Esta mujer es la nueva esposa de Pinkerton, cuyo objetivo es el de adoptar al hijo que éste tuvo con Butterfly. Pinkerton, incapaz de contarle la verdad a Butterfly, se retira. Ésta se da cuenta de la presencia de la otra esposa y el motivo de su visita, y se muestra dispuesta a ceder el niño a su padre. A continuación, toma un puñal que había heredado de su propio padre-y con el que éste se había un harakiri- y repite las palabras que hay grabadas en él: Quien no pueda vivir con honor, merece una muerte honorable. Se despide de su hijo y se suicida según la costumbre de su pueblo.