Während eines Aufenthalts der Flotte im Orient heiratet der amerikanische Marineleutnant Pinkerton die fünfzehnjährige Geisha Cio-cio-san, genannt Butterfly, nach japanischem Ritus. Während Pinkerton auf seine Braut wartet, zeigt ihm der Heiratsvermittler Goro das Haus. Es liegt auf einem Hügel über dem Hafen von Nagasaki und der Stadt. Goro stellt Pinkerton das Hauspersonal vor und Suzuki, die zukünftige Kammerzofe von Cio-cio-san. Der amerikanische Konsul Sharpless kommt außer Atem den Hügel herauf. Pinkerton unterhält sich mit ihm und zeigt dabei seine zynische Lebensauffassung: er sucht sein Vergnügen, wo immer sich Gelegenheit bietet; er schwärmt von den Reizen seiner zukünftigen Frau und erklärt, er werde sie gemäß dem japanischen Gesetz heiraten; das erlaubt ihm, sie jederzeit zu verstoßen. Sharpless erinnert sich an den Besuch Cio-cio-sans im amerikanischen Konsulat und ihr angenehmes Wesen. Er hofft, dass der leichtfertige Pinkerton ihr kein Leid zufügen möge. Der aber lacht über seine Skrupel und trinkt auf den Tag, an dem er in Amerika eine wirkliche Hochzeit feiern wird. Goro kündigt Cio-cio-san und ihre Verwandten an; die Braut spricht mit ihren Freundinnen über ihr Glück und stellt die Gäste einander vor. Dann vollzieht der kaiserliche Kommissar die Trauung. Die Zeremonie wird durch den Onkel Bonze gestört: er hat erfahren, dass seine Nichte den Glauben ihr Vorfahren aufgegeben hat und zum christlichen Glauben übergetreten ist. Er verflucht und verstößt sie vor den erschrocken Gästen. Pinkerton weist den Bonzen energisch aus dem Haus und auch die anderen Gäste entfernen sich. Butterfly ist nun von ihrer Familie verlassen, aber sie stürzt sich glücklich in ihren Liebestraum; Pinkerton zieht sie an sich und führt sie ins Haus und in das Schlafgemach. Es ist eine wunderbare warme Nacht, die der Mond erhellt.
Drei Jahre nachher ist Pinkerton nach Amerika abgefahren, Butterfly unterhält sich mit Suzuki. Er hat versprochen, im Frühjahr zurückzukehren, aber dann nichts mehr von sich hören lassen. Suzuki versucht, Cio-cio-san die Augen zu öffnen, in welcher Situation sie sich befindet, aber diese wartet voller Vertrauen und Liebe nur auf die Rückkehr ihres Mannes. Es kommen Sharpless und Goro. Der Konsul bringt Butterfly einen Brief, in dem Pinkerton seine Rückkehr ankündigt. Er bittet Sharpless, Cio-cio-san zu informieren, dass er inzwischen eine Amerikanerin geheiratet hat. Von Mitleid erfüllt, hat der Konsul nicht den Mut, seine Botschaft zu überbringen. Goro schlägt Cio-cio-san neue Heiratskandidaten vor, darunter den reichen Prinzen Yamadori, der sie heiraten möchte, aber Butterfly weist erzürnt alle Vorschläge zurück. Sie ist die Ehefrau Pinkertons. Sharpless ist dabei, sie über den wahren Sachverhalt aufzuklären, aber als Butterfly ihm den Sohn Pinkertons, von essen Existenz del Konsul nicht wusste, vorstellt, verzichtet er auf jede Erklärung. Man hört einen Kanonenschuss: im Hafen von Nagasaki ist ein amerikanisches Schiff eingelaufen. Butterfly erkennt durch das Fernglas das Schiff Pinkertons. Im Freudenfieber schmückt sie das Haus mit Blumen, legt ihr Hochzeitskleid an und bereitet sich vor, die ganze Nacht auf den Geliebten zu warten.
Der Morgen graut. Umsonst hat Butterfly die ganze Nacht gewartet. Das schlafende Kind im Arm, verlässt sie das Zimmer um sich zur Ruhe zu begeben. Sharpless und Pinkerton nähern sich. Pinkerton hat von dem Konsul von seinem Kind erfahren: er möchte es mit sich nach Amerika nehmen um es in westlicher Art zu erziehen. Suzuki findet nicht den Mut ihre Herrin zu rufen, denn sie denkt an den unermesslichen Schmerz, den man ihr zufügen wird. Pinkerton betrachtet das Haus wo alles so geblieben ist, wie er es verlassen hat. Er empfindet Bedauern und Reue. Kaum sich Pinkerton entfernt, nährt sich Butterfly und sieht auf der Terrasse Kate, die amerikanische Frau des geliebten Mannes. In einem Augenblick begreift sie alles. Sie weint nicht, sie schreit nicht: sie folgt dem Rat von Sharpless und stimmt der Trennung von ihren Sohn zu. Er wird dem amerikanischen Paar anvertraut werden. Butterfly bleibt allein. Verzweifelt umarmt sie ihr Kind; dann ersticht sie sich mit dem Messer, mit dem sich schon ihr Vater das Leben nahm. Pinkerton ist zurückgekommen, um Vergebung zu bitten, aber er kommt zu spät: er kann nur noch den leblosen Körper Butterflys in die Arme nehmen.
