ДЕЙСТВИЕ I
Япония, начало XX века. Лейтенант военно-морского флота США Б. Ф. Пинкертон осматривает домик на холме с видом на гавань Нагасаки, который снимает у брачного маклера Горо. Горо также заключил для него контракт с юной гейшей Чио-Чио-сан по прозвищу Мадам Баттерфляй. На свадьбу приходит американский консул Шарплес, и Пинкертон описывает ему свою философию бесстрашного янки, странствующего по свету в поисках удовольствий. Он не уверен, любит он юную гейшу, или это просто каприз, но соглашается на брачную церемонию. Шарплес предупреждает его, что девушка может отнестись к этому серьёзно, но Пинкертон отмахивается и говорит, что однажды возьмёт себе настоящую, американскую жену.
На холм поднимается Баттерфляй с подругами. Официально представившись жениху, она рассказывает, что ей 15 лет, её семья когда-то занимала важное положение, но теперь обеднела, и Баттерфляй вынуждена зарабатывать на жизнь ремеслом гейши. Приходят её родственники и заводят разговор о свадьбе. Чио-Чио-сан показывает Пинкертону свои немногочисленные вещи и вполголоса говорит, что была в христианской миссии и примет религию мужа. Имперский комиссионер оглашает брачный контракт, родственники поздравляют молодых. Вдруг раздаётся грозный голос: это дядя Баттерфляй, священник-бонза. Он проклинает девушку за переход в христианство и отказ от религии предков. Пинкертон приказывает всем уйти, потрясённые родственники принимают сторону бонзы и отрекаются от Чио-Чио-сан. Пинкертон старается нежными словами утешить Баттерфляй. Служанка Сузуки помогает ей облачиться в свадебное кимоно, и Баттерфляй идёт к Пинкертону в сад, где под звёздным небом они осуществляют брак.
ДЕЙСТВИЕ II, ЧАСТЬ I
Прошло три года, и Баттерфляй ждёт возвращения мужа. Шарплес приносит письмо от Пинкертона, но не успевает он его прочесть, как появляется Горо с очередным женихом для Баттерфляй, богатым князем Ямадори. Баттерфляй вежливо подаёт гостям чай, но настаивает на том, что она несвободна – её американский супруг не бросил её, а временно уехал. Она отказывает Горо и Ямадори.
Шарплес собирается прочесть письмо, но Баттерфляй всё время перебивает его, взволнованно расспрашивая о муже. Наконец консул спрашивает, что она станет делать, если Пинкертон так и не вернётся. Потрясённая Баттерфляй отвечает, что в таком случае у неё два выбора – либо снова стать гейшей, либо – что предпочтительнее – умереть. Шарплес говорит, что, может быть, ей всё же стоит подумать над предложением Ямадори. «А как же это?» – восклицает разгневанная Баттерфляй, показывая консулу своего маленького сына. Шарплес не находит в себе сил рассказать ей о содержании письма и уходит, пообещав сообщить Пинкертону о ребёнке.
Из порта доносится пушечный выстрел, возвещающий о прибытии корабля. Баттерфляй и Сузуки смотрят в подзорную трубу и видят название корабля Пинкертона. Счастливая Баттерфляй вместе с Сузуки украшает дом сорванными в саду цветами. Наступает ночь. Баттерфляй с сыном и Сузуки смотрят на гавань и ждут.
ДЕЙСТВИЕ II, ЧАСТЬ II
На рассвете Сузуки уговаривает Баттерфляй поспать. Баттерфляй уносит ребёнка в другую комнату. Приходят Шарплес и Пинкертон со своей новой женой Кейт. Сузуки понимает, кто эта американка, и соглашается рассказать всё Баттерфляй. Пинкертон терзается чувством вины и поспешно уходит, вспоминая дни, проведённые в маленьком домике. Чио-Чио-сан вбегает, ожидая увидеть Пинкертона, но вместо него её встречает Кейт. Понимая, что произошло, Чио-Чио-сан соглашается отдать ребёнка, но настаивает, чтобы за сыном пришёл сам Пинкертон. Она велит всем уйти и достаёт кинжал, которым её отец покончил с собой, предпочитая с честью умереть, чем жить с позором. Вбежавший ребёнок прерывает её намерение, но она прощается с ним и завязывает ему глаза. Пинкертон зовёт Баттерфляй, и в этот момент она наносит себе удар.
