Erster Akt
Der US-Marineleutnant Benjamin Franklin Pinkerton ist für einige Zeit im japanischen Hafen Nagasaki stationiert. Der Heiratsvermittler und Makler Goro hat ihm ein Haus und eine Braut besorgt; beides mietet er »für 999 Jahre«, kündbar monatlich. Goro zeigt ihm das Haus mit seinen Schiebewänden, das auf einem Hügel liegt, und präsentiert die Dienerschaft. Als Pinkertons Freund Konsul Sharpless eintrifft, stößt er mit ihm auf die ferne Heimat an – und auf die »echte« amerikanische Frau, die er heiraten will, wenn er dorthin zurückkehrt. Sharpless warnt: Seine japanische Braut Cio-Cio-San, genannt Butterfly, könnte die bevorstehende Eheschließung ernster nehmen als er.
Butterfly erscheint mit ihren Freundinnen und ihrer Verwandtschaft. Pinkerton ist hingerissen von ihr. Sie hat nur wenige persönliche Gegenstände mitgebracht; darunter einen Dolch, mit dem ihr Vater den rituellen Selbstmord vollzogen hatte, als er beim Kaiser in Ungnade gefallen und von diesem dazu aufgefordert worden war. Freimütig bekennt sich Cio-Cio-San zu der Armut, in die sie dadurch mit ihrer Mutter gestürzt wurde und die sie dazu zwang, sich als Geisha durchzuschlagen. Als auch der kaiserliche Kommissar und der Standesbeamte eintreffen, wird die Ehe rasch besiegelt. In die anschließende kurze Feierlichkeit mit der Familie platzt Cio-Cio-Sans Onkel, der Bonze. Er hat erfahren, dass Butterfly ihrer Religion abgeschworen hat, um den Glauben ihres amerikanischen Mannes anzunehmen, und verflucht sie dafür. Die gesamte Sippe verstößt sie und verlässt unter Verwünschungen das Haus. Pinkerton tröstet seine frisch angetraute Braut. Für Butterfly gibt es keinen Weg zurück: Sie erklärt, er sei ihr Schicksal, und gesteht ihm ihre Liebe. Die Hochzeitsnacht bricht an; es ist eine heitere, sternenklare Nacht.
Zweiter Akt, erster Teil
Drei Jahre sind vergangen. Nach Pinkertons Abreise hat Cio-Cio-San ein Kind zur Welt gebracht. Nur Suzuki ist bei ihr in dem Haus auf dem Hügel geblieben. Das Geld geht zur Neige. Butterfly glaubt fest an die Rückkehr ihres Mannes, die er ihr für die Zeit versprochen hat, wenn das Rotkehlchen wieder sein Nest baut.
Konsul Sharpless sucht Butterfly auf, um ihr einen Brief von Pinkerton vorzulesen. Dabei wird er zunächst unterbrochen von Goros Erscheinen. Der Heiratsvermittler bedrängt Cio-Cio-San schon seit einiger Zeit, sich neu zu verheiraten: mit dem reichen Fürst Yamadori, der nun seinerseits persönlich einen letzten Versuch unternimmt, Butterfly für sich zu gewinnen. Doch sie lehnt seinen Antrag ab, da sie nicht frei sei; in Amerika sei eine Scheidung nicht so einfach wie in Japan. Yamadori geht, ohne die Hoffnung ganz aufzugeben.
Als nun auch Sharpless ihr zu der neuen Verbindung rät, da Pinkerton vielleicht nie mehr zu ihr zurückkehren werde, präsentiert sie ihm den gemeinsamen Sohn. Sollte sie gezwungen sein, wieder als Geisha ihr Leben zu fristen, will sie lieber sterben. Erschüttert zieht Sharpless sich zurück. Wütend vertreibt Suzuki den immer noch um das Haus schleichenden Goro, der davor warnt, ein vaterloses Kind werde kein leichtes Leben haben.
Da ertönt die Kanone aus dem Hafen: Ein Salutschuss zeigt die Rückkehr von Pinkertons Schiff, der Abraham Lincoln, an. Zusammen mit Suzuki und ihrem Kind erwartet Cio-Cio-San das Wiedersehen. Es wird Nacht.
Zweiter Akt, zweiter Teil
Als der Morgen dämmert, drängt Suzuki ihre Herrin, sich auszuruhen. Cio- Cio-San zieht sich zurück. Da treten Sharpless und Pinkerton ein; in ihrer Begleitung ist Kate, die Pinkerton inzwischen in Amerika geheiratet hat. Die drei bitten Suzuki, Butterfly schonend darauf vorzubereiten, dass sie das Kind mitnehmen wollen. Pinkerton gibt zu erkennen, dass er sein rücksichtsloses Verhalten bereut; einem Wiedersehen mit Cio-Cio-San fühlt er sich jedoch nicht gewachsen.
Als Butterfly erscheint und die ihr fremde Frau sieht, muss sie sich die traurige Wahrheit eingestehen. Auf Kates Bitte, ihr das Kind zu übergeben, antwortet sie, seinem Vater werde sie es ausliefern. Dann bittet sie alle, einschließlich Suzuki, sie allein zu lassen. Sie nimmt Abschied von ihrem Sohn. Mit dem Dolch ihres Vaters setzt sie ihrem Leben ein Ende.