ДЕЙСТВИЕ ПЕРВОЕ
Японский домик на одном из холмов близ Нагасаки. Горо показывает его американскому лейтенанту морского флота Пинкертону, который собирается жить здесь с юной гейшей Чио-Чио-сан: их брак вскоре должен состоится по японскому ритуалу. Появляется американский Консул Шарплесс. Пинкертон излагает ему свои легкомысленные взгляды на жизнь, в частности, на предстоящий брак с японкой, оставляющий ему возможность со временем женится на американке.
Но вот вдали раздаются голоса Чио-Чио-Сан и её друзей. Чио-Чио-Сан, прозванная Баттерфляй, рассказывает о своей жизни: отец её был знатным самураем, но бедность заставила девушку стать гейшей. Она готова отречься от своей религии, если этого хочет Пинкертон.
Свадьба состоялась. Паре желают девятьсот девяносто девять лет счастья. Торжественность церемонии нарушается появлением дяди Бонзо, который проклинает Баттерфляй, потому что она, осмелившись нарушить волю предков, сочеталась браком с иностранцем. Пинкертон прогоняет всех.  Баттерфляй счастлива, что осталась, наконец, наедине с Пинкертоном.
ДЕЙСТВИЕ ВТОРОЕ
Баттерфляй три года ожидает возвращения своего американского мужа. Она очень верит ему. Входят Шарплес и Горо, в руках у консула письмо, в котором Пинкертон просит его сообщить Баттерфляй, что он женился на американке. Шарплес никак не решается сказать об этом молодой женщине. Появляется принц Ямадори, за которого Горо усиленно сватает Чио-Чио-Сан. Получив вежливый отказ, он вынужден удалится. Шарплес советует Чио-Чио-Сан принять предложение Ямадори; он намекает на то, что Пинкертон может и не вернутся, но вера молодой женщины непоколебима. Узнав из письма, что муж здоров и скоро должен прибыть в Нагасаки, Чио-Чио-Сан прерывает его радостным возгласом.
Пушечный выстрел объявляет о том, что в порт входит корабль. Баттерфляй охвачена радостью, она украшает дом цветами в ожидании Пинкертона. Наступает ночь. Сузуки засыпает возле ребёнка, Баттерфляй бодрствует, неподвижная, как статуя.
ДЕЙСТВИЕ ТРЕТЬЕ
Светает. Баттерфляй, устав от бессонной ночи, прилегла отдохнуть. В этот момент в дом входят Пинкертон, его жена Кэт и консул: лейтенант надеется, что его бывшая возлюбленная отдаст ему ребёнка. Узнав от Сузуки, как она ждала его, он не может сдержать волнения. Баттерфляй по лицу Кэт и из слов консула догадывается обо всём. Она отдаст сына через полчаса и, только отцу. Когда все уходят, она занавешивает комнату и готовится к смерти. Но дверь открывается, и мальчик бежит на руки к матери.
Обняв его в последний раз, Баттерфляй удаляется и, закалывает себя ножом. Вбегает Пинкертон, но уже слишком поздно: Баттерфляй мертва.