Acţiunea se desfășoară la Nagasaki, Japonia, începutul secolului XX
ACTUL I
Într-o casă de pe colină se serbează o căsătorie. Pinkerton, ofiţer al marinei americane, în zadar încearcă să asculte explicațiile japonezului Goro. Gândul lui zboară spre micuța Cio-Cio-San, numită Butterfly, care astăzi îi va deveni soție. Consulul Sharpless dorindu-i fericire, îi atrage ofițerului atenția că tânăra mireasă ia în serios ceea ce pentru Pinkerton este doar un amuzament.
Comisarul anunță cu glas solemn ceremonia căsătoriei. După datina japoneză, el urează mirilor nouă sute nouăzeci şi nouă de ani de fericire. Solemnitatea este tulburată de apariția unchiului Bonzo, care o repudiază pe Cio-Cio-San, fiindcă a îndrăznit să neglijeze cultul strămoșesc, căsătorindu-se cu un străin. Bonzo şi Pinkerton se înfruntă o clipă din priviri. Casa tinerilor căsătoriți se golește. Butterfly este părăsită de ai săi, dar totuși, găsește în iubirea lui Pinkerton o consolare ce nu seamănă a fi o simplă joacă.

ACTUL II
Au trecut trei ani de așteptare, dar Butterfly nu disperă, crescându-și copilul și refuzând orice propunere de a se recăsători. Credința că cel iubit se va întoarce, nu a părăsit-o nici o clipă. În grădina casei apare Goro însoțindu-l pe Consulul Sharpless, care a adus o scrisoare de la Pinkerton. Butterfly e copleșită de emoții. Discuția este întreruptă de apariția prințului Yamadori, care a venit să ceară mâna Madamei Butterfly. Tânăra femeie îl respinge cu demnitate. Râmași singuri, Sharpless îi dezvăluie adevărul Madamei Butterfly: Pinkerton nu va mai reveni şi ar fi mai bine pentru ea să primească propunerea lui Yamadori. La aceste vorbe, Butterfly dispare pentru o clipă, revenind apoi cu un băiețel în brațe. E copilul lor, al ei şi a lui Pinkerton. Butterfly îl roagă pe consul să împărtășească această veste tânărului ofițer. Un semnal vestește intrarea în port a unei nave. Cuprinsă de exaltare, plină de speranțe, Butterfly împodobește împreună cu Suzuki casa în cinstea sosirii soțului multașteptat. S-a înserat, copilul a adormit. Butterfly, cu privirea îndreptată spre port, așteaptă neclintită. Însă, Pinkerton nu a venit la căsuța care-i adăpostise odinioară dragostea.

ACTUL III
După o noapte de veghe, Butterfly a adormit în zori. În lipsa ei, în grădină pătrund Sharpless şi Pinkerton împreună cu soția sa, Kate. Pinkerton dorește să-şi ia copilul. Trezită din somn, Butterfly apare. Supusă, aparent calmă, Butterfly se pleacă în fața dorinței tatălui, căruia îi va da copilul. Rămasă singură, Butterfly se pregătește de moarte. Însă, ușa se deschide și băiețelul aleargă în brațele mamei. Mângâindu-l pentru ultima oară, Butterfly îl îndepărtează. În timp ce micuțul îl așteaptă pe Pinkerton, Butterfly se sinucide, auzindu-și pentru ultima dată, numele strigat de iubirea vieții sale.