Acte I
Lors d’une escale à Nagasaki, un officier de marine américain, Pinkerton, tombe amoureux d’une jeune geisha japonaise Cio-Cio-San, nommée Butterfly. Pinkerton s’apprête à l’épouser malgré les avertissements du consul américain, Sharpless. L’oncle de Cio-Cio-San, le bonze, la renie ainsi que toute sa famille.
Acte II
Pinkerton est retourné aux Etas-Unis. Trois ans ont passé, mais Cio-Cio-San attend toujours son retour avec leur enfant et sa servante Suzuki. Sharpless, qui a reçu une lettre de Pinkerton lui annonçant son mariage avec une Américaine, tente de la persuader d’oublier le père de son enfant ; mais rien n’y fait. Au bord de la misère, elle repousse pourtant les avances du prince Yamadori,. Un coup de canon annonce le retour de Pinkerton et Cio-Cio-San est persuadée que sa fidélité sera récompensée. Avec sa servante Suzuki, elle se prépare à accueillir Pinkerton.
Acte III
Cio-Cio-San, qui a veillé toute la nuit, se retire pour prendre un peu de repos. Pinkerton arrive alors et retrouve avec émotion la maison qui a abrité ses anciennes amours. Suzuki est consternée d’apprendre la vérité et Pinkerton se rend compte de sa cruauté. Incapable d’affronter Cio-Cio-San, il se retire après avoir réclamé son enfant à Suzuki : sa femme Kate est décidée à l’élever. Cio-Cio-San, boulversée apprend la vérité et dit à Sharpless qu’elle remettre l’enfant à son père. Puis elle se fait hara-kiri avec l’épée de son propre père et meurt au moment du retour de Pinkerton