Действие I
1904 год. Домик с террасой и садом на холме возле Нагасаки. Внизу виднеются залив, порт и город Нагасаки.
Пинкертон, лейтенант американского флота, находится в увольнении и по традиции берёт себе жену по контракту – 15-летнюю гейшу Чио-Чио-сан, также известную как Баттерфляй. Пока Пинкертон ждёт невесту, брачный маклер Горо показывает ему арендованный домик на холме, с которого открывается вид на гавань и город Нагасаки. Маклер представляет Пинкертону слуг и Сузуки, горничную Чио-Чио-сан. Запыхавшись после подъёма на холм, входит американский консул Шарплесс. Пинкертон не скрывает от него своих циничных взглядов – брать от жизни все наслаждения, пока можно. Расписывая достоинства своей будущей жены, он насмешливо говорит, что женится на ней по японскому обычаю, то есть может в любое время развестись. Шарплесс вспоминает трогательно искренний визит Баттерфляй в консульство и предупреждает Пинкертона, что тот может разбить девушке сердце. Но лейтенант только смеётся и предлагает выпить за тот день, когда наконец-то возьмёт себе настоящую американскую жену. Горо объявляет о приходе Чио-Чио-сан и её родных. Невеста радостно говорит родственникам, как она счастлива, и представляет их Пинкертону. Имперский комиссар заключает брачный контракт. Во время свадебных торжеств появляется бонза, дядя Чио-Чио-сан, который прослышал, что она решила отвергнуть веру предков и принять христианство. Бонза проклинает девушку на глазах у пришедших в ужас родственников. Пинкертон выгоняет их из дома, но Баттерфляй, отвергнутая всеми своими родными, верит, что будет счастлива в любви. Пинкертон обнимает её и уводит внутрь. Наступает ночь.
Действие II
Дом Баттерфляй
Баттерфляй в разговоре с Сузуки упоминает, что Пинкертон уплыл в Америку и обещал вернуться весной, но с тех пор прошло три года, а вестей от него нет. Сузуки пытается открыть ей глаза, но наивная и доверчивая девушка по-прежнему верит, что муж вернётся. Приходят Шарплесс и Горо. Консул принёс письмо от Пинкертона. Тот пишет, что возвращается в Японию, и просит Шарплесса передать Чио-Чио-сан, что женился на американке. У консула не хватает духу сообщить Баттерфляй такие вести. Горо тем временем предлагает Баттерфляй новых поклонников, в том числе богатого князя Ямадори, который готов на ней жениться. Но девушка с презрением отвергает его и заявляет, что она всё ещё жена Пинкертона. Шарплесс готов разрушить её иллюзии, но Баттерфляй показывает ему ребёнка от Пинкертона, о котором консул не знал, и Шарплесс решает не открывать ей горькую правду.
В порту Нагасаки пушечный выстрел объявляет о прибытии американского корабля. Баттерфляй берёт подзорную трубу и видит пришвартовавшийся в гавани корабль Пинкертона. Сияя от счастья, она украшает весь дом цветами, надевает свадебное платье и готовится ждать своего любимого.
Но Баттерфляй всю ночь прождала напрасно. На рассвете она поднимается наверх, чтобы подремать возле ребёнка. Приходят Шарплесс и Пинкертон с Кейт, своей американской женой. Узнав от консула, что Баттерфляй родила ребёнка, Пинкертон хочет забрать мальчика к себе на родину и воспитать в западных традициях. Сузуки знает, какую боль это причинит её хозяйке, и не находит в себе сил сказать ей. Пинкертон рассматривает маленький домик, где всё осталось точно таким же, как три года назад. Его переполняют сожаление и раскаяние. Он бросается прочь, и тут с верхнего этажа спускается Баттерфляй. Она видит на террасе Кейт и осознаёт правду, но не плачет и не жалуется. После разговора с Кейт Баттерфляй соглашается расстаться с сыном при одном условии: что отец сам придёт за ним. Оставшись одна с ребёнком, Баттерфляй завязывает ему глаза и в последний раз крепко обнимает. Она берёт кинжал, которым её отец совершил ритуальное самоубийство, и вонзает его себе в горло. Пинкертон, слишком поздно решивший просить прощения, прижимает к себе её безжизненное тело.
