I. Akt
Ein Offizier der amerikanischen Marine, B.F. Pinkerton, hat sich während seines Japanbesuchs in Cio-Cio-San verliebt. Ihre Hochzeit findet in dem Haus statt, das Pinkerton über den Heiratsvermittler Goro gemietet hat. Unter den Gästen sind unter anderem Butterflys Mutter und Verwandte, ihr Dienstmädchen Suzuki und der amerikanische Konsul Sharpless. Sharpless bittet Pinkerton, seine junge Braut sanft zu behandeln und ihre Liebe ernst zu nehmen. Pinkerton nimmt seine Warnungen leicht: Wenn sich zwei Menschen verlieben, denken sie nicht an die Zukunft. Cio-Cio-San, deren Name auf Japanisch Butterfly bedeutet, zeigt Pinkerton den Inhalt ihres Koffers: Statuetten ihrer Vorfahren und ein Messer. Als Pinkerton nach dem Messer fragt, erzählt Goro ihm, dass Butterflys Vater damit Harakiri begangen hat. Seit seinem Tod verdient Butterfly ihren Lebensunterhalt als Geisha. Butterflys Onkel, ein Bhikkhu - ein buddhistischer Priester - tritt ein und verflucht Butterfly dafür, dass sie ihre Abstammung und ihre Religion aufgegeben hat. Der Bhikkhu befiehlt allen Verwandten von Butterfly, die Feier zu verlassen, und verstößt sie für immer. Butterfly ist niedergeschmettert und hofft, dass Pinkerton sie genug liebt, um bei ihr zu bleiben. Butterfly und Pinkerton suchen Trost in der Umarmung des anderen. Doch ihre Hochzeitsnacht wird von dem Fluch des Bhikkhu überschattet.
II. Akt
Butterfly wartet in der Hausruine, in der Pinkerton sie vor drei Jahren verlassen hat. Das Geld wird knapp und Suzuki äußert Zweifel, ob Pinkerton jemals zurückkommen wird. Butterfly beschwört die Erinnerung an sein Versprechen herauf, zurückzukehren, sobald das Rotkehlchen sein Nest baut. Sharpless stattet ihm einen Besuch ab. Pinkerton ist auf dem Weg, aber Sharpless zögert, Butterfly die Wahrheit zu sagen - dass Pinkerton inzwischen eine Amerikanerin geheiratet hat. Goro versucht sie zu überreden, Prinz Yamadori zu heiraten, der seit langem erfolglos um Butterfly wirbt. Als Sharpless ihr zu verstehen gibt, dass Pinkerton nicht zu ihr zurückkommen wird, zeigt Butterfly Sharpless ihr Kind von Pinkerton. Sie fleht ihn an, ihrem Liebhaber von dem Kind zu erzählen: es wurde nach Pinkertons Abreise geboren. Pinkertons Schiff läuft im Hafen ein. Butterfly bereitet sich eilig auf seine Ankunft vor, und Suzuki hilft ihr, das Haus mit Kirschblüten zu schmücken. Sie warten die ganze Nacht auf ihn.
III. Akt
Bei Sonnenaufgang schlafen Butterfly und ihr Kind ein. Beide sind müde von der Nachtwache. Sharpless kommt mit Pinkerton und Pinkertons Frau Kate, um das Kind abzuholen, welchem sie eine bessere Zukunft ermöglichen wollen. Als Suzuki Pinkerton von Butterflys Geduld und Loyalität erzählt, bittet Pinkerton Sharpless, ihm das Kind zu bringen und Butterfly zu bezahlen. Er fühlt sich unfähig, sie noch einmal anzusehen. Butterfly sucht nach Pinkerton und trifft auf seine Ehefrau. Sharpless informiert sie, dass Pinkerton und Kate gekommen sind, um ihr Kind zu holen. Butterfly beschließt, Pinkertons Wunsch Folge zu leisten, ihnen das Kind zu geben. Als Butterfly allein ist, zieht sie das Messer, das das Instrument des Selbstmordes ihres Vaters war, heraus und nimmt sich selbst das Leben. Pinkerton stürmt ins Haus und ruft ihren Namen.
