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ACTO I:
En 1904, Benjamin Franklin Pinkerton, un oficial de la marina estadounidense, adquiere una casa sobre una colina desde donde se divisa la ciudad y el puerto de Nagasaki (Japón) para él y su futura esposa, la joven Cio -Cio San. Un matrimonio que ha sido amañado por el casamentero Goro a través de una ley nipona que le permite renunciar a la joven cuando quiera. Para Pinkerton se trata de una aventura fuera de su país, su intención secreta es divorciarse de la joven una vez encuentre a la esposa norteamericana adecuada; en cambio para Cio-Cio San éste es un compromiso para toda la vida. Tanto es así que, previo al enlace, se convierte secretamente al cristianismo.

La boda está a punto de celebrarse en la casa con amigos e invitados de la novia, el cónsul estadounidense Sharpless y el registrador oficial. Sharpless advierte a Pinkerton de los apasionados sentimientos de la joven y le recomienda que tenga cuidado de no herirla. El tío de Cio-Cio San, el monje budista Bonzo, que ha descubierto la conversión de su sobrina, se presenta en la ceremonia para maldecir y repudiar a la joven y ordenar a los invitados que se vayan. La joven, a la que Pinkerton llamará Butterfly, que ha renunciado a todo lo que tenía para convertirse en su mujer, cae desconsolada por el rechazo de los suyos pero al mismo tiempo se siente feliz y extasiada y se casa con Pinkerton y tienen su primera apasionada noche de amor (“Vogliatemi bene”).

ACTO II:
Han transcurrido tres años desde que Pinkerton se fue para regresar a su país. Butterfly vive sola en la casa de la colina con su sirvienta Suzuki y el hijo nacido después de la partida de su padre, que no sabe nada de la existencia del niño. Suzuki intenta convencer a Butterfly de que él no volverá, pero ella no le escucha y se mantiene siempre fiel esperando su vuelta con esperanza (“Un bel dí vedremo”). Antes de irse, Pinkerton le dejó a la chica una sustanciosa suma de dinero que le ha permitido vivir sin problemas, pero ahora el dinero se está agotando. Goro, el casamentero que arregló el matrimonio con Pinkerton, sigue intentando volver a casarla, pero Butterfly tampoco lo escucha, pese a la pobreza extrema que atraviesa.

Sharpless, el cónsul estadounidense, llega a la casa acompañado de Goro y le comunica a Butterfly que ha recibido una carta de Pinkerton anunciando su regreso. La desbordante alegría de Butterfly al saber la noticia impide a Sharpless contarle el verdadero motivo de su regreso. Sharpless intenta leerle el resto de la carta y hacerle ver que es posible que su marido venga con intenciones de no quedarse y le pregunta qué haría si Pinkerton no volviera a casa. Butterfly responde que, en ese caso, debería escoger entre volver a convertirse en geisha o quitarse la vida, pero está convencida de que cambiará de idea cuando vea a su hijo. El alarmado cónsul, que desconocía los hechos, promete informar a Pinkerton del asunto y al mismo tiempo intenta persuadir a la joven de casarse con el rico Yamadori. Ella le ordena retirarse, pero el diplomático permanece en la casa y ve cómo Butterfly, desolada, toma al niño en sus brazos y canta su dolorosa aria “Che tua madre dovrà”.

Suena el cañón que anuncia la llegada de la fragata de Pinkerton al puerto. Butterfly corre a observar con un catalejo por la ventana hacia el océano y al ver la bandera de la nave estadounidense pide a Suzuki de engalanar con flores toda la casa. Expectantes, Suzuki, Dolore y Butterfly aguardan la llegada de Pinkerton. Cae la noche. Empieza una larga espera.

ACTO III:
Amanece el día. Al enterarse de la existencia del hijo, Sharpless, Pinkerton y Kate, su nueva esposa, llegan a la casa dispuestos a llevarse al niño para criarlo en Estados Unidos. Cuando Pinkerton ve cómo Butterfly ha decorado la casa, se da cuenta de que ha cometido un gran error y, acobardado, se siente incapaz de hacer frente a la situación. Butterfly, sobrecogida pero manteniendo la dignidad, consiente en entregar al niño si Pinkerton viene a buscarlo en persona. Sharpless sale a buscar a Pinkerton mientras Butterfly se despide de su hijo (“Tu, tu piccolo iddio”). Luego se retira a su habitación y se clava el cuchillo con el que se suicidó su padre. Mientras se arrastra agonizando hacia el niño para besarle por última vez, llegan Pinkerton y Sharpless. Butterfly extiende su brazo hacia el niño y muere.