Действие I
Горо устроил брак между лейтенантом Пинкертоном и Чио-Чио-сан (Баттерфляй). 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 пытается отговорить Пинкертона от женитьбы на Баттерфляй, опасаясь за будущее девушки, но Пинкертон отвечает, что влюблён в неё, хотя и знает, 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. Она 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.
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.
Антракт
Действие II. Три года спустя.
Пинкертон уехал обратно в Америку. Баттерфляй отказывается верить, что он бросил её, и говорит Судзуки, что он обязательно вернётся.
Приходят Горо и Шарплесс с письмом от Пинкертона. Их прерывает появление князя Ямадори, за которого Горо надеется выдать Баттерфляй. Но она отвечает, что уже замужем, и отказывает князю. Шарплесс хочет прочесть Баттерфляй письмо от Пинкертона и убедить её принять предложение Ямадори. Выясняется, что у Баттерфляй ребёнок от Пинкертона, и она говорит, что если Пинкертон в самом деле её бросил, то у неё только два выхода: стать нищенкой или умереть. Шарплесс обещает рассказать Пинкертону о сыне и уходит.
Баттерфляй видит, что гавань прибыл корабль Пинкертона. Они с Судзуки украшают дом цветами, Баттерфляй надевает свадебный наряд и ждёт своего мужа. Но ожидание тщетно.
Действие III. Утро следующего дня.
Приходят Шарплесс и Пинкертон со своей новой женой Кейт. Консул просит Судзуки объяснить Баттерфляй, что Пинкертон женат, и уговорить её отдать ребёнка. Пинкертон оставляет Баттерфляй деньги, но стыдится встретиться с ней лицом к лицу.
Судзуки рассказывает Баттерфляй правду о Пинкертоне. Кейт Пинкертон обещает воспитывать её ребёнка в Америке, как родного сына. Баттерфляй ставит условием, что Пинкертон должен прийти через полчаса один, и тогда она отдаст ему сына. Оставшись одна, она готовится совершить ритуальное самоубийство. Попрощавшись с сыном, Баттерфляй наносит себе удар кинжалом. Снаружи доносится голос Пинкертона, который зовёт её.