Pinkerton, un oficial de la marina norteamericana, aprovecha su estada en Nagasaki para dedicarse a una "aventura oriental". Una mujer, lo mismo que una casa, podía ser arrendada allí, según las leyes fiscales, por el término de 999 años, pero el adquirente se reservaba el derecho de rescindir el contrato, quedando la esposa tan libre como el marido. En virtud de esa facilidad, Pinkerton decide cambiar de estado, instalándose transitoriamente en el Japón... Cio-Cio-San, una geisha de quince años a la que conoce con el nombre de "Madama Butterfly" (Señora mariposa) ha interesado al marino. Por intermedio de Goro, un comisionista en esta clase de transacciones, Pinkerton adquiere así casa y esposa, olvidándose temporariamente de que tiene una novia en los Estados Unidos. Se inician los preparativos de la fiesta nupcial, mientras Pinkerton y Sharpless, cónsul americano en Nagasaki, esperan la llegada de la esposa. Sharpless aconseja al marino que desista de su propósito, ya que de ello podrían derivar dolorosas consecuencias... Poco después vuelve Goro anunciando la llegada de Cio-Cio-San, quien aparece acompañada por sus amigas, proclamándose la mujer más dichosa de la tierra.

Butterfly entabla conversación con Sharpless, a quien relata brevemente su historia. Mientras van llegando los familiares, la joven extrae de un cofre algunos objetos personales que muestra ingenuamente a Pinkerton; entre ellos se encuentra un puñal de samurai, con el cual el padre de Cio-Cio-San se diera muerte por haber caído en desgracia ante el Emperador. Butterfly confiesa a Pinkerton que para serle más grata aún ha adoptado su religión. Goro ordena silencio y acto continuo, en presencia del Comisario Imperial, se verifica la ceremonia matrimonial. El brindis siguiente es interrumpido por la voz airada de un bonzo, tío de Butterfly, quien enterado de que su sobrina ha abjurado del credo de sus antepasados, maldice a Cio-Cio-San, a la que todos abandonan. Butterfly se encuentra ahora sola, renegada pero feliz, frente a lo que ella considera la realidad de un maravilloso sueño de amor.

Pinkerton ha abandonado el Japón, prometiendo a Cio-Cio-San que volverá cuando florezcan las rosas y aniden los petirrojos, pero pájaros y flores se han renovado ya tres veces y el ausente no regresa. Suzuki, la doncella de Butterfly, demuestra inquietud y desconfianza pero Butterfly tiene fe en su "Dios americano"... Sharpless ha recibido una carta de Pinkerton en la cual le anuncia su regreso. Se ha casado, viaja con su mujer y encarga al cónsul que así lo comunique a Butterfly. La antigua geisha recibe al amigo de su esposo a la manera occidental, entablándose rápidamente una animada conversación. Butterfly se queja de Goro y de sus proposiciones de nuevos matrimonios. Sobre todo hay un pretendiente, el príncipe Yamadori, a quien no puede soportar. Por fin el cónsul queda solo con Butterfly y se decide a leer la carta de Pinkerton.

Ante las continuas y anhelante interrupciones de la joven, Sharpless no tiene coraje para proseguir la lectura y bruscamente pregunta a Butterfly que haría si Pinkerton no volviera. Dos cosas, responde la atribulada joven: volver a su condición de geisha o quizá mejor morir. Antes de que el cónsul se retire, Butterfly corre hacia una habitación contigua y regresa con aire triunfal trayendo a su hijito en brazos. Pinkerton ignora la existencia de ese hijo, y Sharpless, antes de retirarse, promete hacérselo saber...Una salva anuncia la llegada de un buque extranjero. Butterfly ansiosamente descubre la nave de Pinkerton. Todos habían mentido y las constantes dudas se desvanecen ahora ante la presencia del blanco navío. Butterfly, frente a lo que ella cree el triunfo del amor y de su fe, ayudada por Suzuki, vuelca en la casa todas las flores del jardín... Acompañada por Suzuki y su hijito, Butterfly, contemplando el mar en la noche estrellada, se dispone a esperar la llegada del amado.

En la angustiosa noche, la espera fue tan larga como inútil. Butterfly, con el llanto en los ojos y la muerte en el alma, ve surgir el nuevo día, pero el ausente no regresa. Poco después Pinkerton, Kate, su esposa americana y Sharpless se presentan de improviso, y Suzuki comprende instantáneamente la dura verdad. El cónsul le pide preparar a Butterfly para la amarga revelación. Pinkerton, advirtiendo la enormidad de su falta, se aleja apesadumbrado. Un momento después entra Butterfly con la esperanza de hablar a su marido pero en lugar del ser amado encuentra a Sharpless y a una señora extranjera. La esposa de Pinkerton pregunta si podrán llevarse al niño. Con gran tristeza Butterfly comprende la magnitud de su desgracia, respondiendo que sólo lo entregará a Pinkerton si viene a buscarlo. Al quedarse sola, Butterfly, en dolorosa meditación, toma en sus manos el puñal con el cual se diera muerte su padre sobre cuya hoja lee la sentencia inexorable: "Con honor muere quien no puede conservar la vida con honor...". Esta conmovedora escena es interrumpida por la presencia del niño. Butterfly, después de despedirse tiernamente de la criatura, se da muerte, sacrificando así su vida ante al abandono del amado... Desde afuera se oye la voz anhelante de Pinkerton que llama a Butterfly