Atto I

Una casa con giardino sulla collina di Nagasaki. Benjamin Franklin Pinkerton, tenente della marina degli Stati Uniti, accompagnato da Goro, sensale di matrimoni, visita divertito la casa che ha appena acquistato: sta per sposare una giovanissima geisha, Cio-Cio-San, procuratagli appunto da Goro. Giunge intanto Sharpless, Console americano, al quale Pinkerton espone, conversando amabilmente davanti a un bicchiere di whisky, la sua cinica filosofia di «yankee» che vuol godersi la vita, sprezzando rischi e i sentimenti altrui: s’è invaghito delle ingenue grazie di Cio-Cio-San e intende ora sposarla secondo il rito giapponese, per novecentonovantanove anni, salvo a prosciogliersi ogni mese. Sharpless gli fa un garbato rimprovero, lo invita a riflettere, ma alla fine alza il bicchiere con Pinkerton che brinda al giorno in cui si sposerà con una vera sposa americana.
Dal sentiero che si inerpica sulla collina giunge Cio-Cio-San col corteo nuziale. Il console le rivolge qualche domanda, Cio-Cio-San dice di essere nata a Nagasaki da famiglia un tempo assai prospera, poi finita in miseria, motivo per cui è stata costretta a fare la geisha. Vive sola, con la mamma e quando gli viene chiesto del padre si rabbuia rispondendo soltanto che è morto.
Il tono di Butterfly cambia quando le viene chiesta l’età, si diverte fanciullescamente a farla indovinare, poi dichiara maliziosa i suoi 15 anni. «L’età dei giochi», commenta Sharpless con tono severo verso Pinkerton. Giungono la madre e gli altri parenti per la cerimonia, e Pinkerton, osservandoli insieme al console, fa i suoi commenti sarcastici. Sharpless lo esorta ancora a pensarci bene prima di affrontare il matrimonio: «Badate, ella ci crede!».
Intanto, presentati i parenti, Butterfly trae in disparte Pinkerton per mostrargli, alcuni oggetti che ha portato con sé in dote: dei fazzoletti, una pipa, una cintura, uno specchio, un ventaglio, un vaso di tintura per il trucco tradizionale. Mostra infine un astuccio lungo e stretto, ma alla richiesta di Pinkerton di vedere cosa contiene, essa lo ripone in tutta fretta, dicendo che c’è troppa gente intorno. Si avvicina Goro e spiega sottovoce che si tratta della lama con cui il padre si è suicidato su ‘invito’ dell’Imperatore.
In attesa dell’inizio della cerimonia, Cio-Cio-San confessa a Pinkerton, a dimostrazione della sua devozione, di essere salita il giorno prima alla Missione per rinnegare la sua fede e farsi cristiana. Si celebrano finalmente le nozze, il console e i funzionari se ne vanno, mentre tutto il parentado si trattiene per festeggiare. Pinkerton cerca di affrettare il brindisi in modo da sbarazzarsene al più presto, impaziente di trovarsi solo con Butterfly. S’ode di lontano la voce terribile dello Zio Bonzo, che irrompe furibondo, avendo scoperto che Cio-Cio-San ha rinnegato la fede degli avi. Il Bonzo, cacciato da Pinkerton, la maledice rinnegandola a sua volta, e s’allontana seguito dai parenti.
Il pianto di Butterfly viene placato dalle ardenti parole di Pinkerton, infiammato dal desiderio, mentre scende la notte. L’ingenua fanciulla risponde teneramente alle appassionate parole del marito che, stringendola in un abbraccio, lentamente, la conduce all’interno della casa.

Atto II

L’interno della casa di Butterfly. La fedele Suzuki prega davanti alla statua di Budda perché Cio-Cio-San non pianga più. Da tre anni, infatti, la poverina aspetta il ritorno di Pinkerton, partito per gli Stati Uniti con la promessa di ritornare a primavera, nella stagione in cui i pettirossi fanno il nido. Ed ella spera ancora, nonostante i dubbi di Suzuki, che un bel giorno spunterà all’orizzonte la nave di Pinkerton e il suo sposo salirà la collina chiamandola con gli affettuosi vezzeggiativi di un tempo. Sopraggiunge Goro con Sharpless, il quale ha ricevuto una lettera da Pinkerton con un messaggio per Cio-Cio-San. Ella è raggiante di gioia e dà il benvenuto al console. Sharpless non ha il coraggio di comunicarle che Pinkerton si è risposato in America e che verrà presto a Nagasaki con la sua nuova sposa. Butterfly, d’altra parte, sembra quasi voler ritardare la lettura della lettera con domande d’un patetico candore: quando rifanno il nido i pettirossi in America? Goro, in disparte, fa commenti sarcastici. Cio-Cio-San informa il console di come il sensale insista per trovarle un nuovo marito. Uno dei pretendenti è il ricco Yamadori, che giunge poco dopo in gran pompa accompagnato dai suoi servi, ricevuto da Butterfly con scherzosa impertinenza: per quante promesse le faccia di esserle eternamente fedele e per quanto Goro ne celebri le ricchezze, Cio-Cio-San non vuole saperne, orgogliosa nella sua tenace convinzione di essere ancora sposata con Pinkerton, anche secondo la legge americana.
Uscito Yamadori, Sharpless comincia con imbarazzo a leggere la lettera di Pinkerton, continuamente interrotto da Butterfly che interpreta ogni parola alla luce della sua illusione. Quando il console giunge alla frase «A voi mi raccomando, perché vogliate con circospezione prepararla…», Butterfly si alza ansiosa e felice credendo che alluda la ritorno del marito. Il console piega la lettera e la ripone in tasca. Quindi cerca di farle capire la verità in altro modo: «Che fareste […] s’ei non dovesse ritornar più mai?» Cio-Cio-San s’arresta, immobile, e risponde sommessa che le alternative sono due: tornare a fare la geisha o morire.
Sharpless è vivamente commosso e con tenerezza paterna, cercando di ­toglierle l’ultima illusione, la esorta a pensare a se stessa, al suo futuro, sposando il ricco Yamadori. Offesa, Butterfly chiama Suzuki e le chiede di accompagnare alla porta il console. Poi all’improvviso corre nella stanza accanto e ritorna trionfante con un bambino in braccio: se Pinkerton l’ha scordata, potrà scordare anche suo figlio? Il console, profondamente turbato, promette che informerà Pinkerton dell’esistenza del bambino ed esce.
Subito dopo entra furente Suzuki che trascina Goro: il «rospo maledetto» va in giro raccontando a tutti che nessuno sa chi sia il padre del bambino. Butterfly, fuori di sé, corre al reliquiario, prende il coltello, afferra Goro per la gola e minaccia di ucciderlo, ma in quel momento un colpo di cannone annuncia l’entrata in porto di una nave. Cio-Cio-San si precipita fuori e, con un cannocchiale, cerca di individuare la bandiera della nave, quindi, esultante ne grida il nome: «Abramo Lincoln!». La sua gioia è immensa, irride ai dubbi di tutti, esalta la sua certezza e l’amore che trionfa. Ordina a Suzuki di cogliere tutti i fiori del giardino per adornare la casa e ricevere degnamente lo sposo. Le due donne cospargono tutto con i fiori raccolti, poi, dopo aver indossato l’abito da sposa, Cio-Cio-San si accoccola con Suzuki e il bambino davanti allo shosi in attesa dell’arrivo di Pinkerton.
A poco a poco la notte si dilegua, giunge l’alba, s’odono di lontano voci di pescatori. Butterfly, che ha vegliato tutta la notte, si lascia convincere da Suzuki ad andare a riposare un poco, col bambino, con la promessa che verrà svegliata all’arrivo del marito. Pinkerton si presenta subito dopo, in compagnia di Sharpless e di Kate, la moglie americana, che resta ad aspettare in giardino. Informato dal console del figlio che Butterfly gli ha dato, è infatti salito alla casa sulla collina per convincerla ad affidargli il piccolo. Quando apprende da Suzuki come Butterfly lo abbia atteso in quei tre anni, si allontana col cuore gonfio di rimorso, mentre Kate e il console attendono nel giardino che Cio-Cio-San si svegli e che Suzuki la prepari alla tragica verità.
Butterfly si desta, chiama Suzuki, entra sollecita nella stanza, vede il console e pensa in grande agitazione di trovare anche Pinkerton, magari nascosto per farle una sorpresa: scorge invece Kate, sulla terrazza, ed è colta da un brutto presentimento. Interroga Suzuki su Pinketon mentre fissa Kate, quasi affascinata e finalmente comprende chi è. Kate allora si avvicina e, chiedendole perdono per il male che inconsapevolmente le ha fatto, si mostra amorevolmente disposta ad avere cura del bambino e a provvedere al suo avvenire. Butterfly risponde che consegnerà il piccolo soltanto a «lui», se avrà il coraggio di presentarsi mezz’ora dopo. Poi li congeda.
Rimasta sola crolla a terra. Ordina a Suzuki di chiudere le imposte e di ritirarsi nell’altra stanza con il bambino. Suzuki, che intuisce le intenzioni della padrona, vorrebbe restare, ma Cio-Cio-San, risolutamente, la spinge fuori. Poi toglie da uno stipo un gran velo bianco che s’avvolge intorno al collo, estrae dall’astuccio di lacca il coltello di suo padre e legge con solennità le parole incise sulla lama: «Con onor muore chi non può serbar vita con onore». Sta per compiere harakiri, quando all’improvviso Suzuki spinge nella stanza il bambino. Butterfly lascia cadere il coltello, si precipita verso il piccolo, lo abbraccia soffocandolo di baci e, dopo avergli rivolto uno straziante addio, gli benda gli occhi e lo fa sedere, mettendogli in mano una bandierina americana. Quindi raccoglie il coltello, si ritira dietro il paravento e si uccide. Nello stesso istante, invocandola da lontano, accorre nella stanza Pinkerton, che s’inginocchia singhiozzante sul suo corpo.