En una casa en una colina cerca de Nagasaki, Pinkerton, oficial de la marina americana, se casa con Cio Cio San, una geisha conocida también como Madama Butterfly. Aunque para PInkerton es un matrimonio falso y no representa más que entretenimiento hasta casarse con una verdadera esposa americana en una veradera boda, para Butterfly es mucho más. Ella renuncia a su religión para convertirse a la de Pinkerton. Luego del casamiento, donde asisten casi todos sus parientes, llega enfurecido el Tío Bonzo, enterado de que Butterfly ha renegado de ellos, la repudia e insta a la familia a renegar de ella. Todos se van y Butterfly, desolada, sólo encuentra consuelo en el amor que siente por Pinkerton. Pero tres días después del casamiento, el marino debe volver a Amércia, prometiendo volver al año siguiente. Pasan tres años sin que Butterfly tenga noticias. Sumida prácticamente en la miseria espera, sin embargo, fielmente. Goro, el casamentero, le trae siempre candidatos nuevos, pero ella se considera casada. Sharpless, el cónsul americano, llega finalmente con noticias de Pinkerton. Trata de prevenirla, llega a preguntarle qué haría si Pinkerton no volviera a ella, generando una gran reacción en Butterfly que termina pidiéndole se retire; pero antes le presenta a Dolor, el hijo de la japonesa con Pinkerton. Sharlpess conmocionado promete hacer algo al respecto. El cañón del puerto anuncia la llegada de un nuevo barco. Es el barco de Pinkerton, que vuelve. Espera toda la noche que él venga a su casa, pero a l amañana comienza a comprender que su ansiedad por verlo puede no ser correspondida. En el momento en que decide irse finalmente a descasar, llegan Pinkerton con Sharlpess y Kate, la verdadera esposa americana del marino. Sharlpess les ha contado sobre el niño, y vienen a buscarlo para criarlo en América. Pero Pinkerton no puede enfrentarla, y se marcha avergonzado. La mujer de Pinkerton pide a Suzuky que hable con Butterfly y le aconseje entregar al niño. Finalmente Butterfly decide hacerlo, pero pide que sea él mismo quien venga a buscar a su hijo. Deshornrada, toma la daga con que su padre se había suicidado y mientras se escucha llegar a Pinkerton desesperado, intuyendo la resolución, toma su propia vida.