ATTO PRIMO
Una casetta in cima a una collina vicino Nagasaki, al principio del XX secolo.
Benjamin Franklin Pinkerton, ufficiale della Marina americana, visita divertito una casetta vicino Nagasaki che ha appena acquistato. È in compagnia di Goro, sensale di matrimoni, che gli ha presentato una ragazza da sposare: si tratta di Cio-Cio-San, costretta a divenire una geisha a causa di rovesci di fortuna della sua famiglia. Pinkerton è raggiunto dall’amico Sharpless, console americano, al quale espone la sua filosofia “yankee”: si è invaghito delle tenere grazie di Cio-Cio-San e intende vivere un’avventura sposandola secondo il rito giapponese che gli dà diritto a lasciarla anche dopo un mese. Il suo intento è in realtà un altro: sprezzante dei rischi e dei sentimenti altrui, vuole unirsi in matrimonio ad una ragazza americana non appena rientrerà in patria. Sharpless gli fa un garbato rimprovero, tuttavia alza il calice con lui brindando alla futura “vera” sposa.
Cio-Cio-San inerpicandosi per il ripido sentiero, giunge con il corteo familiare al seguito per suggellare il contratto nuziale. Sharpless tra le altre domande, le chiede quanti anni abbia: divertita, la ragazza gli propone di indovinare e quando svela di avere solo 15 anni, Sharpless si rivolge a Pinkerton con rimprovero, pregandolo di ripensarci. Goro si avvicina poi al futuro sposo per illustrare i pochi oggetti che la giovane porta in dote, tra cui uno strano astuccio. Quando Pinkerton chiede alla fanciulla cosa sia, ella si rabbuia. Goro allora spiega all’ufficiale che l’astuccio contiene una lama con cui il padre di lei si è tolto la vita per ordine dell’Imperatore. Proprio da quella morte giungono tutte le disgrazie della famiglia e la volontà di riscatto della giovane, che spera di riabilitare il suo onore con il matrimonio. Quasi alla fine della cerimonia, irrompe il terribile Zio Bonzo che con toni violenti rinnega la fanciulla, poiché ha scoperto che per sposare l’americano lei ha scelto di rinunciare al suo legittimo nome e alla fede buddhista per abbracciare il cristianesimo. Abbandonata dalla sua famiglia, la giovane si lega ancor più al futuro sposo che dolcemente la consola mentre si avviano verso il loro talamo nuziale.

ATTO SECONDO
All’interno della casa di Cio-Cio-San.
Suzuki, serva di Cio-Cio-San, è in ginocchio dinanzi all’immagine di Buddha e prega ardentemente perché la sua padrona smetta di piangere. Dal giorno del matrimonio sono passati tre anni e di Pinkerton non sono più giunte notizie, nonostante egli sia partito con la promessa di tornare alla «prossima nidiata del pettirosso»; inoltre il denaro che l’uomo ha lasciato è ormai quasi finito. La giovane illusa tuttavia spera, immaginando che un giorno vedrà spuntare all’orizzonte la nave che riporta suo marito a casa.
In compagnia del servizievole Goro, Sharpless sta andando a far visita alla fanciulla: ha l’ingrato compito di prepararla con cautela ad un colpo terribile. Ma prima di trovare il coraggio di parlarle della brutta notizia che porta, la giovane gli chiede quando il pettirosso nidifica in America, forse per spiegare l’assenza così lunga di lui. L’ingenuità di Butterfly strappa una risata a Goro e la ragazza che non si era accorta di lui, lo rimprovera perché si ostina a proporle altri uomini, come il ricco principe Yamadori che insiste per sposarla. Lei è irremovibile: convinta che il matrimonio con Pinkerton sia vero, rifiuta ancora una volta il Principe che abbandona la scena, mentre Sharpless trova il coraggio di parlarle della lettera in cui Pinkerton le scrive che non tornerà. Butterfly però si rifiuta di ascoltare e presenta al console il figlio nato dal matrimonio. Sharpless apprende la notizia e va via, Goro riprova a farla ragionare, ma lei non vuole ascoltare più nessuno. In quel momento un colpo di cannone annuncia l’approdo della nave “Abramo Lincoln” nel porto: per Butterfly è la prova che lo sposo è tornato. Al colmo della gioia riempie il giardino di fiori e si fa bella indossando l’abito nuziale, mentre anche il bimbo viene preparato ad accogliere l’arrivo del padre. Trepidanti, i tre fanno dei fori nello shosij e spiano il ritorno dell’ufficiale americano. Giunge però la notte ma non si è visto nessuno; Suzuki e il bimbo si sono addormentati, mentre Cio-Cio-San resta immobile in fiduciosa attesa del suo sposo.

ATTO TERZO
Nella casetta dell’Atto II.
È ormai l’alba. Cio-Cio-San è rimasta tutto il tempo ferma dinanzi allo shosij attendendo il ritorno di Pinkerton, ma invano. Dopo le insistenze di Suzuki, si lascia convincere a riposare un po’ recando con sé il bimbo. In effetti la giovane non ha sbagliato, poiché la nave giunta nel porto la sera prima è proprio quella che riporta Pinkerton a Nagasaki, sebbene in compagnia di Kate, sua legittima moglie. Assieme a Sharpless l’ufficiale si avvia verso la casetta di Cio-Cio-San, nella speranza che Suzuki abbia preparato la giovane alla terribile notizia. Anche Kate, rimasta fuori in attesa, si raccomanda a Suzuki affinché la sua padrona possa apprendere la verità senza soffrirne troppo. Irrompe all’improvviso Butterfly che cerca impaziente il suo sposo, ma questi è fuggito via sopraffatto dal rimorso dopo che Sharpless lo ha informato di avere avuto un figlio da lei. Butterfly allora s’imbatte in Kate e tutto le appare subito chiaro: la donna chiedendole perdono, si offre di prendersi amorevolmente cura del bimbo e di provvedere al suo avvenire, ma Butterfly dignitosamente rifiuta ogni offerta per sé, dicendo che affiderà il bimbo solo a “lui” se avrà il coraggio di presentarsi dopo mezz’ora. Rientra in casa, ordina a Suzuki di chiudere le imposte e di tener compagnia al bimbo. Si ritira nella sua stanza e prende il coltello con cui suo padre si uccise con la ferma intenzione di togliersi la vita anche lei. Proprio allora però irrompe nella stanza il suo bimbo: dopo uno straziante addio, la giovane gli porge una bandierina americana e gli benda gli occhi; poi raccoglie il coltello, si nasconde dietro un paravento e si trafigge. In quell’istante accorrono Sharpless e Pinkerton, il quale invoca il nome di lei da lontano e vorrebbe chiederle perdono, ma giunto in casa scopre quella scena atroce: straziato, s’inginocchia piangente accanto al corpo ormai senza vita di Cio-Cio-San.