Acte I
Un officier de la marine américaine, B.F. Pinkerton, s’éprend de Cio-Cio-San alors qu’il se trouve au Japon. Leur mariage est sur le point d'être célébré dans la maison que Pinkerton a louée par l'intermédiaire de l'entremetteur, Goro. Parmi les invités se trouvent la mère et les proches de Butterfly, sa servante Suzuki et le consul américain Sharpless. Sharpless demande à Pinkerton de traiter la jeune mariée avec douceur et de prendre au sérieux l’amour qu’elle lui porte. Mais Pinkerton prend ses avertissements à la légère : lorsque deux personnes tombent amoureuses, elles ne devraient pas se préoccuper de l'avenir. Cio-Cio-San, dont le nom signifie « Papillon » en japonais, montre à Pinkerton le contenu de sa valise : des statuettes de ses ancêtres, et un couteau. Lorsque Pinkerton lui demande ce qu'il en est du couteau, Goro lui explique que le père de Butterfly l'a jadis utilisé pour commettre un harakiri. Depuis qu'il est décédé, Butterfly gagne sa vie comme geisha. L'oncle de Butterfly, un Bonze - un prêtre bouddhiste - entre, maudissant Butterfly pour avoir abandonné ses ancêtres et sa religion. Le Bonze ordonne à l’ensemble des proches de Butterfly de quitter la fête et la chasse à jamais. Butterfly est désespérée et espère que Pinkerton l'aimera suffisamment pour rester avec elle. Butterfly et Pinkerton cherchent à se réconforter l’un l’autre en s’étreignant. Leur nuit de noces est néanmoins ternie par la malédiction du Bonze.
Acte II
Butterfly attend dans la maison en ruine, où Pinkerton l'a abandonnée il y a trois ans. L'argent se fait rare et Suzuki exprime ses doutes quant au retour de Pinkerton. Butterfly évoque le souvenir de la promesse qu’il lui a faite de revenir lorsque le rouge-gorge aura construit son nid. Sharpless lui rend visite. Pinkerton est en route, mais Sharpless hésite à dire la vérité à Butterfly - Pinkerton a épousé une Américaine. Goro tente de la convaincre d'épouser le prince Yamadori qui l’a longtemps courtisée, sans succès. Lorsque Sharpless lui fait comprendre que Pinkerton ne reviendra pas vers elle, Butterfly présente l’enfant qu’elle a eu de Pinkerton à Sharpless. Elle le supplie de faire connaître l'enfant à son bien-aimé : il est en effet né après son départ. Le bateau de Pinkerton apparaît dans le port. Butterfly se prépare en toute hâte à son arrivée, et Suzuki l'aide à décorer la maison avec des fleurs de cerisier. Elles l'attendent toute la nuit.
Acte III
À l’aube, Butterfly et son enfant s'endorment enfin. Tous deux sont épuisés après une nuit d’attente. Sharpless arrive, accompagné de Pinkerton et son épouse, Kate. Ils sont venus chercher l'enfant pour lui offrir un meilleur avenir. Lorsque Suzuki parle à Pinkerton de la patience et de la loyauté de Butterfly, Pinkerton demande à Sharpless de lui amener l'enfant et de payer Butterfly. Il est incapable de se retrouver à nouveau face à elle. Butterfly entre alors à la recherche de Pinkerton et se retrouve confrontée à Kate. Sharpless lui explique que Pinkerton et Kate sont venus lui enlever son enfant. Butterfly décide d'obéir au souhait de Pinkerton et de lui remettre l'enfant. Une fois seule, Butterly sort le couteau de son père et met fin à ses jours. Pinkerton se précipite dans la maison en criant son nom.
