PRIMO ATTO
La storia ha inizio a Nagasaki, agli inizi del Novecento. Pinkerton, tenente della marina degli Stati Uniti, si unisce in matrimonio a Cio-Cio-San, una geisha quindicenne. Il matrimonio si celebra secondo la legge giapponese; questo da diritto a Pinkerton di ripudiare la moglie in qualsiasi momento per sposare una donna americana.
Le azioni di Pinkerton sono guidate da spirito d’avventura e dalla vanità. Al contrario Cio-Cio-San – che dopo le nozze si fa chiamare Madama Butterfly – è realmente innamorata dell’ufficiale di marina. Questo amore attira su di lei l’ira dello zio bonzo, che la accusa di aver rinnegato la sua cultura e la famiglia.

SECONDO ATTO
Poco dopo le nozze, Pinkerton torna in patria, abbandonando la giovane sposa. Nonostante l’incredulità dell’ancella Suzuki, Butterfly è fiduciosa del fatto che suo marito tornerà da lei in primavera come da lui promesso. Nel frattempo Pinkerton si risposa con l’americana Kate. Continua a tenersi in contatto con il console Sharpless, chiedendogli di spiegare a Butterfly l’accaduto. Nonostante i tentativi di Goro di trovarle un nuovo marito, Butterfly continua ad avere una fede incrollabile nella lealtà del marito. Per porre fine ai dubbi circa la fedeltà del marito, Butterfly mostra al console il figlio nato dalla seppur breve relazione con Pinkerton. Dopo tre anni Pinkerton fa ritorno a Nagasaki insieme a Kate. Butterfly chiede a Suzuki di preparare la casa per accogliere nel migliore dei modi quello che crede essere ancora il suo sposo.
L’attesa di Butterfly si protrae per tutta la notte. Pinkerton, messo a conoscenza dell’esistenza di suo figlio da Sharpless, si reca da Butterfly; la sua unica intenzione è di prendere il figlio, portarlo negli Stati Uniti ed educarlo secondo gli usi occidentali. Anche il console Sharpless spinge affinché il bambino venga affidato a Pinkerton e alla sua nuova moglie. Solo a questo punto Butterfly apre gli occhi e capisce la realtà delle cose: la sua felicità, la sua grande storia d’amore era in realtà solo un’illusione. Decide dunque di uscire di scena in silenzio, dando un ultimo abbraccio al figlio, con il volto coperto di lacrime. Pone il bimbo in una culla di stuoia e lo benda delicatamente; seguendo un’antica usanza giapponese, si toglie la vita con un pugnale cerimoniale donatole dal padre.