Действие I
Горо устроил брак между лейтенантом Пинкертоном и Чио-Чио-сан (Баттерфляй). Свадьба уже скоро, Пинкертон осматривает свой новый дом, Горо представляет ему слуг, в том числе Судзуки, горничную Баттерфляй. Приходит американский консул Шарплесс, и они с Пинкертоном поднимают тост за Америку. Шарплесс спрашивает, действительно ли Пинкертон любит Баттерфляй. Тот не уверен, но всё равно хочет ею обладать, даже если это причинит ей боль. Шарплесс пытается отговорить Пинкертона от женитьбы, опасаясь за будущее девушки, но Пинкертон отвечает, что когда-нибудь возьмёт себе «настоящую» американскую жену.
Появляются Баттерфляй с подругами. Баттерфляй рассказывает Шарплессу, как разорилась её семья, и женщинам пришлось ради заработка идти в гейши; отец её умер, но мать придёт на свадьбу. Появляются чиновники и родственники невесты. Баттерфляй показывает Пинкертону все свои личные вещи, кроме одной, самой священной: ритуального кинжала, который микадо подарил её отцу с повелением совершить самоубийство, что тот и исполнил. Баттерфляй говорит, что ради Пинкертона перешла в христианство, но не сказала об этом родным.
Свадебные празднества прерывает дядя Баттерфляй, бонза. Он и другие родственники проклинают девушку за то, что она отреклась от веры своих предков, и Пинкертон приказывает им уйти. Он утешает Баттерфляй и с наступлением ночи соблазняет её.
Действие II. Три года спустя.
Пинкертона отозвали обратно в Америку. Баттерфляй и верная Судзуки по-прежнему живут в доме. У них почти не осталось денег, но Баттерфляй отказывается верить, что Пинкертон её бросил, и говорит Судзуки, что в один прекрасный день он обязательно вернётся.
Приходят Горо и Шарплесс с письмом от Пинкертона. Баттерфляй так счастлива, что даже не слушает сообщение Шарплесса до конца. Она рассказывает консулу, что Горо хочет выдать её за богатого князя Ямадори. Появляется Ямадори, но Баттерфляй отвечает, что уже замужем, и отказывает ему. Шарплесс хочет прочесть Баттерфляй письмо от Пинкертона и убедить её принять предложение Ямадори. Вместо ответа она показывает консулу своего ребёнка от Пинкертона, о существовании которого не знали ни сам Пинкертон, ни Шарплесс. Баттерфляй говорит, что если Пинкертон в самом деле её бросил, то у неё только два выхода: стать нищенкой или умереть. Взволнованный Шарплесс обещает рассказать Пинкертону о ребёнке и уходит.
Судзуки втаскивает в дом Горо. Тот распускал в Нагасаки слухи, что Баттерфляй родила ребёнка неизвестно от кого. В гавани раздаётся пушечный выстрел – это прибыл корабль. Баттерфляй видит, что это корабль Пинкертона. Они с Судзуки украшают дом цветами, Баттерфляй надевает свадебный наряд и ждёт своего мужа.
Действие III. Утро следующего дня.
После бесплодного ночного бдения Судзуки уговаривает Баттерфляй наконец отдохнуть. Приходят Шарплесс и Пинкертон со своей американской женой Кейт. Судзуки рассказывает Пинкертону о верности Баттерфляй и о том, как она радовалась его приезду. Но Шарплесс просит Судзуки объяснить Баттерфляй, что Пинкертон женат, и уговорить её позаботиться о будущем ребёнка. Пинкертон оставляет консулу деньги для Баттерфляй, но стыдится встретиться с ней лицом к лицу. Рассказать Баттерфляй правду вынуждена Судзуки.
Кейт Пинкертон просит отдать ей ребёнка и обещает заботиться о нём. Баттерфляй с достоинством отвечает, что Пинкертон должен прийти через полчаса один, и тогда она отдаст ему сына. Когда гости уходят, она отпускает Судзуки и готовится совершить ритуальное самоубийство. Попрощавшись с сыном, Баттерфляй наносит себе удар кинжалом. Снаружи доносится голос Пинкертона, который зовёт её.