ACTUL I
În biserica Sant Andrea della Valle pătrunde pe furiş fostul consul al Republicii Romane, Cesare Angelotti, prizonier politic, evadat din închisoare. El descuie portiţa capelei Attavanti, unde se ascunde la venirea sacristanului. Curând, apare pictorul Mario Cavaradossi, venit să-şi continue lucrul la tabloul Mariei-Magdalena, al cărei chip seamănă cu acela al marchizei Attavanti, pe care Cavaradossi o văzuse în timpul rugăciunii şi care îl inspirase. Ajuns în faţa picturii, Mario o priveşte câteva clipe, apoi scoate din buzunar portretul-miniatură al iubitei lui, cântăreaţa Floria Tosca şi, impresionat de frumuseţea diferită a celor două femei, compară minunaţii ochi negri ai Toscăi cu privirile albastre şi limpezi ale marchizei. Glasul lui cântă armonia misterioasă a frumuseţilor naturii şi dragostea adevărată pentru Floria, în timp ce sacristanul observase asemănarea chipului Magdalenei cu cel al marchizei Attavanti. După plecarea sacristanului, Angelotti iese din capelă şi, întâlnindu-l pe Cavaradossi, vechi simpatizant politic, îi explică în grabă situaţia în care se afla. De afară se aude glasul Toscăi, care-şi strigă iubitul. Fugarul este nevoit să se ascundă din nou. Tosca vine pentru a fixa o întâlnire cu Mario în acea seară după spectacolul său. Scena lor de dragoste este întreruptă de un violent acces de gelozie, atunci când ea vede asemănarea chipului marchizei Attavanti cu cel al femeii pictate, dar Mario o linişteşte şi îndrăgostiţii se despart.
O salvă de tun anunţă evadarea prizonierului. Mario, însoţit de Angelotti, părăseşte repede biserica printr-o ieşire secretă, urmând să-l ascundă pe acesta în vila sa. După puţin timp, în biserică îşi face apariţia baronul Scarpia (şeful serviciului secret al poliţiei) împreună cu ajutorul său, veniţi în căutarea lui Angelotti. Câteva semne (evantaiul marchizei Attavanti, sora evadatului) găsite lângă capelă, coşul golit de merinde al pictorului, deşi el spusese sacristanului că nu va mânca, asemănarea portretului cu chipul marchizei îi dovedesc lui Scarpia că Mario Cavaradossi nu este străin de evadarea lui Angelotti. Văzând-o pe Tosca intrând în biserică, Scarpia îi stârneşte gelozia, arătându-i evantaiul găsit. În urma ei, cu ochii plini de dorinţă, şeful poliţiei jură să-l trimită pe Cavaradossi la moarte şi să-şi satisfacă vechea patimă pentru frumoasa Tosca.

ACTUL II
De după ferestrele biroului lui Scarpia se aude muzica serbării din palatul Farnese. Arestat, Mario refuză să dea vreo explicaţie. Încercând să afle cu diplomaţie de la Tosca locul unde se ascundea evadatul, Scarpia recurge apoi la mijlocul cel mai eficace de a o face să vorbească: ordonă schingiuirea pictorului, lăsând-o pe Tosca să-l audă pe Mario urlând de durere. În cele din urmă Tosca, nemaiputând suporta, divulgă secretul. Adus lângă ea, aproape leşinat, Mario îşi dă seama că Tosca l-a trădat şi îi respinge mângâierile, udate de lacrimi. Dar vestea că Bonaparte învinsese la Marengo îi dă parcă forţe noi, cu care el se ridică şi strigă „Victorie!”, ameninţându-l pe Scarpia cu pedepsirea nelegiuirilor lui. Tosca află că preţul vieţii iubitului ei era ea. Deznădejdea şi suferinţa nu mai încap în cuvintele cu care ea se adresează cerului, întrebând de ce o pedepseşte astfel. Punând mai presus de toate viaţa lui Mario, Tosca acceptă propunerea lui în schimbul unei execuţii simulate, cu gloanţe oarbe, şi a unui permis de liberă trecere pentru ea şi Cavaradossi. Scarpia este înştiinţat că Angelotti se otrăvise în momentul când fusese descoperit de oamenii poliţiei. Venit să îmbrăţişeze femeia, Scarpia primeşte o lovitură de cuţit, apoi se prăbuşeşte. Luându-şi hârtia de liberă trecere, Tosca pune la capul celui mort lumânările aprinse şi pleacă.

ACTUL III
Pe platforma castelului Sant Angelo este adus din temniţă Mario Cavaradossi, care îşi aşteaptă execuţia. Înainte de venirea zorilor, Mario scrie o ultimă scrisoare iubitei lui, către care i se îndreaptă gândurile și amintirile frumoase. Disperarea pune stăpânire pe el, când deodată apare Tosca, aducându-i vestea că în curând el va fi liber şi ei vor pleca împreună. Fericită, îi povesteşte tot ceea ce se întâmplase şi îl învaţă cum să se comporte când va fi „executat” cu gloanţe oarbe. Uimit, Mario sărută mâinile gingaşe, care au făcut moarte de om pentru el. Apare garda şi, sub privirile atente ale Toscăi, are loc execuţia. Imediat după plecarea soldaţilor, Tosca aleargă la Mario. Dar, îngrozită, găseşte trupul lui neînsufleţit. Disperată, Tosca se aruncă de la înălţimea castelului, împărtăşind soarta iubitului ei.