Домик в окрестностях Нагасаки. Услужливый торговец недвижимостью и людьми Горо показывает дом молодому лейтенанту американского флота Пинкертону и представляет слуг, «прилагаемых» к помещению. Пинкертон увлечён юной гейшей Чио-Чио-сан, прозванной Баттерфляй («бабочка»), которую Горо продает ему в жены. Консул США Шарплес пытается остановить легкомысленного лейтенанта, предупреждая его, что этот «временный брак» - опасная и скверная игра. Она может стоить жизни Чио-Чио-сан. Но самоуверенный американец не хочет слушать никаких уговоров. «Срывать цветки, где только можно», - такова его философия. За бокалом вина Пинкертон произносит тост за здоровье другой девушки, на которой он женится в Америке. Тот брак и будет настоящим, а сейчас - лишь «колониальная шутка», не более.

В сопровождении подруг появляется Чио-Чио-сан. Лейтенант очарован её красотой. Девушка показывает будущему супругу кинжал, которым некогда покончил с собой её отец. Полная бесконечной преданности и самоотверженной любви, Чио-Чио-сан признаётся Пинкертону, что ради него она решила отказаться от религии своих предков и принять христианство.

Начинается церемония бракосочетания. В разгар торжества появляется Бонза, дядя Баттерфляй, и проклинает вероотступницу. Чио-Чио-сан в отчаянии и ужасе. Раздосадованный Пинкертон прогоняет всех родственников. Он успокаивает девушку и заверяет её в своей любви. Наступает ночь. Ничто не может помешать счастью влюбленных.

Прошло три года с тех пор, как Пинкертон оставил молодую жену и уехал в Америку, пообещав вернуться, «когда зацветут розы и ласточки начнут вить гнёзда». Вся жизнь Чио-Чио-сан превратилась в бесконечное ожидание. Верная служанка Сузуки осторожно пробует убедить свою госпожу в том, что американец больше не возвратится. Но Чио-Чио-сан страстно протестует. Воображению влюбленной женщины рисуется счастливая картина возвращения мужа. К Баттерфляй приходит Шарплес в сопровождении Горо. Появляется принц Ямадори, желающий взять в жены покинутую Чио-Чио-сан. Но молодая женщина с гордостью ссылается на американские законы: она - жена лейтенанта Пинкертона, её нельзя отбросить как наскучившую игрушку. Шарплес приносит печальное известие: он получил письмо от Пинкертона, в котором тот сообщает о своей женитьбе на американке. Однако Шарплесу не удается прочитать письмо Чио-Чио-сан. Женщина приводит прелестного малыша - это сын Пинкертона. На вопрос консула: «Как зовут мальчика?» Чио-Чио-сан отвечает: «Сейчас его имя Печаль, но когда отец его возвратится, его будут звать Счастье». Вдали слышен орудийный выстрел - в порт входит американский корабль «Авраам Линкольн», на котором должен прибыть Пинкертон. Чио-Чио-сан и Сузуки в волнении готовятся к встрече.

Ночь прошла в напрасном ожидании. Чио-Чио-сан укачивает ребенка и уносит его в другую комнату. Раздается стук в дверь. Сузуки радостно встречает Шарплеса и Пинкертона. Но вместе с ними появляется незнакомая дама. Это Кэт, жена Пинкертона. Сузуки должна подготовить Чио-Чио-сан к удару: узнав, что у него есть сын, Пинкертон приехал, чтобы забрать мальчика. Пинкертон слишком поздно осознает, что сам разрушил своё счастье. Жизнь кажется ему пустой и бессмысленной. В волнении он прощается с домом, в котором провёл незабываемые часы любви, и уходит. Появляется Чио-Чио-сан. Она видит Кэт и Шарплеса. Сердце подсказывает ей жестокую правду. Оставшись одна, Чио-Чио-сан читает строки на лезвии кинжала отца: «Лучше умереть с честью, чем жить в бесчестии». Сузуки, пытаясь остановить любимую госпожу, посылает к ней сына. Чио-Чио-сан, нежно простившись с ребенком, прерывает жизнь ударом кинжала.