Dans une maison sur une colline près de Nagasaki, l'Officier Marin américain B. F. Pinkerton se marie avec Cio-cio-san, une geisha aussi connue comme Madama Butterfly. Bien que pour Pinkerton ce soit un faux mariage et ne représente que de distraction jusqu'à se marier avec une vraie épouse américaine dans un vraie mariage, pour Butterfly il est beaucoup plus. Elle renonce à sa religion pour se convertir à celle de Pinkerton. Après le mariage, où assistent presque tous ses parents, l'Oncle Bonzo arrive rendu furieux, informé que Butterfly a renié de ceux-ci, il la répudie et prie instamment la famille à renier d'elle. Tout le monde quitte et Butterfly, dévasté, trouve seulement le confort sur son amour pour Pinkerton. Cependant, après trois jours le marin doit retourner en Amérique, en promettant de revenir l'année prochaine. Trois ans passent sans toutes nouvelles de lui. Butterfly, plongé dans la misère, attend fidèlement. Goro, le marieur, l'amène toujours de nouveaux candidats, mais elle se considère mariée. Sharpless, le consul Américain, arrive finalement avec les nouvelles de Pinkerton. Il essaie de la prévenir, il va même autant que demander à ce qu'elle ferait si Pinkerton n'est jamais revenu, mais cela apporte une énorme réaction du Butterfly qui met fin à la demande à lui de partir. Cependant, avant qu'il parte, elle le lui présente à Dolor, le fils de la japonaise avec Pinkerton. Sharlpess commotionné promet faire quelque chose à ce sujet. Le canon du port annonce l'arrivée d'un nouveau navire. C'est en fait le navire de Pinkerton d’un retour. Butterfly l'attend toute la notte pour venir à la maison, mais avant le matin elle commence à penser que son inquiétude pourrait ne pas être correspondu. Quand elle accepte finalement de recevoir un peu de reste, Pinkerton arrive avec Sharpless et Kate, sa femme américaine. Sharpless leur a dit sur l'enfant et ils viennent à le chercher pour l'élever en Amérique avec eux. Pinkerton est incapable d'affronter Butterfly et il feuille dans la honte. Est la femme de Pinkerton qui demande à Suzuki de parler avec Butterfly et le conseiller de renoncer à l'enfant. Butterfly est d'accord finalement, mais elle demande Pinkerton de prendre lui-même. Déshonoré, honteux, elle prend la dague avec laquelle son père s'était suicidé, et tandis que s’écoute Pinkerton criant sur son arrivée pour arrêter ce qu’il soupçonne elle prend sa propre vie.
