In una casa su una collina vicino a Nagasaki, l'ufficiale di Marina americano B. F. Pinkerton sposa con Cio-cio-san, una geisha conosciuta anche come Madama Butterfly. Anche se per Pinkerton è un matrimonio finto ed è nient'altro che intrattenimento fino a quando egli veramente si sposi con una vera moglie americana in un matrimonio reale, è molto più di così per Cio-cio-san. Lei anche rinuncia alla sua religione per convertirsi alla di Pinkerton. Dopo il matrimonio, dove sono invitati tutti i suoi parenti, arriva lo Zio Bonzo. Egli condanna a Butterfly per rinunciare alla loro religione e chiede a tutta la famiglia di ripudiarla. Ognuno lascia, ed una devastata Butterfly trova conforto solo nel suo amore per Pinkerton. Tuttavia, dopo tre giorni il marinaio deve andare via in America, promettendo di ritornare l'anno prossimo.
Tre anni passano senza alcuna notizia da lui. Butterfly, immersa nella miseria, aspetta fedelmente. Goro, il sensale, porta sempre nuovi candidati per lei, ma lei sostiene che è già sposata. Sharpless, il console americano, arriva finalmente con notizie di Pinkerton. Egli tenta di avvertirla, e arriva per chiedere che cosa faresti se Pinkerton non tornare ad esso, generando un'enorme reazione da Butterfly che finisce chiedendogli di lasciare. Tuttavia, prima d’andare, lei lo introduce a Dolore, suo figlio di 3 anni con Pinkerton. Sharpless, scioccato, promette di fare qualcosa al riguardo. Il cannone dal porto annuncia l'arrivo di una nuova nave. È infatti la nave di Pinkerton, che ritorna. Butterfly aspetta fino le mattine per lui a venire a casa, ma comincia a capire che la sua ansia potrebbe essere non corrisposta. Quando lei alla fine accetta di andare in riposo, Pinkerton arriva con Sharpless e Kate, la sua moglie americana. Sharpless ha parlato loro dal bambino, e sono venuti a prenderlo e portalo con loro in America. Pinkerton non è in grado di confrontarsi con Butterfly e lascia imbarazzato. È la moglie di Pinkerton che chiede la Suzuki di parlare con Butterfly e consigliarla a rinunciare al bambino. Butterfly alla fine accetta, ma lei chiede di essere Pinkerton stesso chi venga a prenderlo. Disonorata, prende il pugnale che suo padre aveva usato per uccidersi. Come si ascolta Pinkerton urlando al suo arrivo per fermare quello che sospetta, lei prende la propria vita.
