Les murs de la grande Ville Violette. Sur la place de Pékin, à une époque indéterminée, un mandarin rappelle à la foule l’édit de la cruelle Turandot : la princesse épousera seulement celui qui résoudra les trois énigmes qu’elle lui proposera. Mais si le prétendant échoue, il sera mis à mort. Tel est maintenant le cas du pauvre prince de Perse, qui se prépare à mourir par la main du bourreau dès que la lune se lèvera. La foule est en émoi, excitée à l’idée du spectacle. Le vieux Timur, accompagné de la jeune esclave Liù, est renversé et piétiné par la foule. Le jeune prince Calaf se précipite à son secours et reconnaît en lui son propre père, le roi détrôné des Tartares: tous deux, pour échapper à la haine des usurpateurs, sont obligés de garder l’incognito. Calaf apprend de Timur l’histoire de sa fuite et demande à Liù la raison de son aide désintéressée. Celle-ci répond qu’elle a partagé les souffrances du roi seulement parce qu’un jour le prince Calaf, dans son palais, lui avait souri. Leur dialogue est interrompu par la foule qui réclame l’exécution. La lune apparaît. Précédé d’un groupe d’enfants qui chantent et d’un cortège de prêtres et de grands dignitaires, le prince de Perse est conduit à l’échafaud. La foule s’émeut en le voyant et réclame maintenant sa grâce. Mais Turandot, qui apparaît un court instant, confirme la condamnation. La beauté de la princesse frappe vivement Calaf. Fasciné par elle, il décide d’essayer de résoudre les trois énigmes. En vain Timur, puis Liù, puis les trois ministres Ping, Pong et Pang tentent-ils de l’en dissuader. Rien ne le fait changer d’avis : ni quand on lui dépeint les cruautés qui ont lieu à la cour, ni les supplications de Liù, ni lorsqu’il voit le prince de Perse décapité. Calaf annonce publiquement sa décision en frappant trois fois le gong, allant ainsi vers son destin. 

Pavillon formé par une grande tente ornée de figures chinoises fantastiques. Ping, Pong et Pang se lamentent sur la décadence de la Chine et repensent avec nostalgie aux jours heureux où la cruelle princesse n’était pas encore née et à leur vie tranquille loin de la cour. Tandis que dans le palais les préparatifs pour la nouvelle épreuve des énigmes vont bon train, les trois ministres souhaitent que Turandot découvre finalement l’amour et que les têtes cessent de tomber : ils imaginent même la préparation de l’alcôve pour la première nuit d’amour de la princesse. Une marche annonce la cérémonie de l’épreuve. 

La Place du Palais. La cour impériale s’assied sur le grand escalier au centre de la place. Les huit savants portent les rouleaux contenant la solution des énigmes. La foule remplit peu à peu la place. Le vieil empereur, fatigué de voir couler tant de sang, supplie Calaf de renoncer à l’épreuve et de se retirer, mais en vain : le prince est décidé. Turandot avance et regarde froidement l’inconnu. Elle explique les raisons de sa conduite si cruelle en racontant l’histoire d’une de ses ancêtres qui avait été trahie par un conquérant étranger lequel, après avoir pillé la ville, l’avait emmenée au loin, en exil, où elle était morte de chagrin. Elle pose donc à Calaf les trois énigmes, que le prince résout l’une après l’autre. Turandot n’accepte pas sa défaite et supplie son père de ne pas la donner à cet étranger. Mais Calaf lui-même déclare, généreusement, qu’il renonce à sa victoire et propose à son tour une énigme à Turandot : si elle ne devine pas son nom avant l’aube du jour suivant, il mourra , comme s’il n’avait pas réussi à résoudre les énigmes. La princesse accepte, tandis que tous espèrent que le prince triomphe. 

Jardin du Palais. Il fait nuit. Les hérauts annoncent les ordres de Turandot: que personne ne dorme à Pékin, sous peine de mort, jusqu’à ce qu’on ne découvre le nom de l’inconnu. Calaf attend, tranquille et sûr de la victoire, le lever du soleil. Ping, Pang et Pong viennent lui offrir, en échange de son nom, tout ce qu’un homme peut désirer : de magnifiques jeunes filles, des richesses, la gloire et la liberté. Mais le prince ne se laisse convaincre ni par leurs promesses ni par leurs men a ces. Devant son dernier refus, des soldats arrivent avec Timur et Liù, que l’on soupçonne de connaître l’identité de l’étranger. Turandot ordonne que Timur soit soumis à la torture, mais Liù s’avance et déclare qu’elle est la seule à connaître le nom du prince inconnu. Elle affronte Turandot, elle subit la torture sans faillir et enfin elle se suicide plutôt que de révéler le secret de l’homme qu’elle aime. La foule est impressionnée par le sacrifice de la jeune fille. Turandot et Calaf restent seuls. Le prince lui reproche sa cruauté, puis, déchirant son voile, il la prend dans ses bras, l’embrasse avec fougue et vient à bout de sa résistance. Turandot pleure entre les bras du prince qui lui a enfin fait découvrir l’amour. L’aube approche : Calaf révèle son nom à la princesse, remettant son sort entre ses mains. Le son des trompettes annonce que la cour se réunit. À l’extérieur du Palais impérial. L’empereur est assis sur le trône, entouré de sa cour et du peuple qui remplit la place. En haut des escaliers Turandot apparaît et déclare qu’elle connaît le nom de l’inconnu : “Amore”. Calaf s’élance vers elle et l’embrasse, tandis que la foule laisse éclater sa joie.