Acte I
9 h. Le peintre Mario Cavaradossi travaille dans une chapelle à la rénovation d'une fresque représentant Marie Madeleine. Il ne sait pas que Cesare Angelotti, un prisonnier évadé, se cache dans l'église. Le sacristain aide le peintre à s'installer, puis s'en va. Pensant qu'il est seul, Angelotti sort et tombe sur Cavaradossi, qui promet de l'aider. Mais c'est à cet instant que la maîtresse jalouse du peintre, la célèbre chanteuse Floria Tosca, arrive. Cavaradossi cache le fugitif. Devant la confusion du peintre, Tosca le soupçonne de la tromper. Cavaradossi la convainc de son amour et la renvoie, puis il quitte l'église accompagné d’Angelotti.
11 h. Le sacristain apporte des nouvelles de la victoire présumée des troupes du régime sur les forces révolutionnaires. Des ordres sont donnés pour préparer le Te Deum et un concert spécial en soirée au cours duquel doit chanter Tosca. Soudain, Scarpia, le préfet de police de Rome, arrive avec ses hommes. Il fouille l'église à la recherche du prisonnier fugitif ; parmi les nombreuses traces de la présence d'Angelotti, il trouve un éventail appartenant à la comtesse Attavanti, la sœur d'Angelotti, qui a très probablement aidé son frère à se cacher.
11 h 30. Tosca revient à la recherche de Cavaradossi, mais il tombe sur Scarpia. Celui-ci essaie de gagner ses faveurs et lui glisse que Cavaradossi a probablement une liaison avec la comtesse Attavanti. Cette annonce réduit Tosca à la rage et au désespoir. Lorsque Tosca quitte l'église pour en découdre avec son amant, Scarpia ordonne qu'on la suive. Il exprime son désir de faire exécuter Cavaradossi avant de s’accaparer Tosca.
Acte II
20 h. Au quartier général de la police de Palazzo Farnese, Scarpia pense à Tosca. Spoletta arrive et tend à Scarpia un rapport sur les recherches effectuées dans la villa de Cavaradossi : le fugitif n’a pas été trouvé mais le peintre a été arrêté. Dans une autre partie du bâtiment, le concert de Tosca débute et est diffusé à la télévision. Cavaradossi est conduit à l'intérieur. Lorsqu'on lui demande s'il a aidé Angelotti, il nie et souligne l'absence de preuves.
21 h. Son concert étant terminé, Tosca arrive pour retrouver Cavaradossi, qui a été emmené pour être interrogé et torturé. En faisant chanter Tosca avec la souffrance de son amant, Scarpia tente de lui faire dire où se cache le prisonnier évadé. Sous la pression, Tosca s'effondre et trahit le secret : Cavaradossi a caché Angelotti dans un puits du jardin. Sciarrone, l'un des sbires de Scarpia, apporte des nouvelles de la défaite subie par les forces du régime. Cavaradossi se moque de Scarpia, se réjouissant de sa défaite. Le peintre est condamné à mort.
Minuit. Tosca se trouve seule avec Scarpia, qui avoue qu'il la surveille depuis longtemps et qu'elle est l'objet de son désir. Tosca, choquée, le supplie de libérer Cavaradossi. Mais le prix est élevé ; la chanteuse finit par accepter un arrangement dans lequel, en échange de la vie de Cavaradossi et d'un laissez-passer lui permettant de quitter Rome, elle se donnera à Scarpia. Celui-ci signe le laissez-passer mais alors qu’il lui remet le document, elle le tue.
Acte III
3 h. Cavaradossi attend son exécution à Castel Sant'Angelo. Le condamné refuse de rencontrer un prêtre, mais souhaite rédiger une dernière lettre à Tosca. La chanteuse se précipite et raconte à son amant comment elle a tué Scarpia. Elle ordonne à Cavaradossi de faire semblant de tomber raide mort lors de son exécution par le peloton d'exécution qui, selon l'ordre final de Scarpia, n’est qu’une mascarade.
4 h. Cavaradossi est conduit sur le lieu de l'exécution. Tosca veille à ce que la fausse exécution se passe comme prévu. Cavaradossi tombe à terre, mais l'exaltation de Tosca se transforme en désespoir lorsqu’elle découvre qu'il est mort et que Scarpia l'avait trompée. La police se précipite, ayant découvert le corps de Scarpia. Ils tentent d'arrêter Tosca pour le meurtre de ce dernier, mais elle s'échappe et met fin à ses jours.
