1. Akt
In der Nähe von Nagasaki besichtigt der Leutnant der amerikanischen Marine Pinkerton ein Häuschen, das er von dessen Eigentümer Goro mieten will. Hier will er seine Flitterwochen mit der japanischen Geisha Cio-cio-San verbringen, mit jenem Mädchen, das er mit einem Schmetterling vergleicht und das er nach der damals tolerierten Sitte in temporärer Ehe zur Gattin zu nehmen gedenkt. Was Suzuki, Butterflys Dienerin, und Goro ihm von seiner Braut erzählen, kann seinen Leichtsinn nicht ändern, ebensowenig das Mitleid, das der amerikanische Konsul Sharpless zum Ausdruck bringt. Sie stoßen miteinander an, aber der Toast Pinkertons gilt Amerika und allem, was ihn an Amerika bindet.
Cio-cio-san erscheint, begleitet von ihren Freundinnen. Während die Hochzeitszeremonie vorbereitet wird, erzählt sie von ihrem Leben, ihrer Familie. Die Familie verarmte durch den Selbstmord ihres Vaters. Sie erzählt Pinkerton auch davon, daß sie seinen Glauben angenommen hat.
Dieses Zeichen der Liebe führt sofort nach der Zeremonie zu einem Zwischenfall: ihr Onkel, ein buddhistischer Priester, kommt, um sie wegen ihres Abfalls vom Glauben zu verfluchen. Doch mehr als das würde Butterfly opfern, um ihrem Gemahl gefällig zu sein. Und im Zauber der hereinbrechenden Nacht fühlt auch der Fremde für Augenblicke die Größe des Herzens, das ihm entgegenschlägt.

2. Akt
Drei Jahre wartet Cio-cio-San bereits auf ihren Gatten, dem sie ein Söhnchen geboren hat. Pinkerton hatte ihr vor seiner Abreise versprochen, zurückzukommen. In Gedanken sieht sie sein Schiff, aber auch die Gebete Suzukis, ihrer Dienerin, vermögen nicht, den Ersehnten herbeizubringen. Sharpless tritt ein; aber seine Mission geht über seine Kraft: er soll Cio-cio-San mitteilen, daß Pinkerton in Amerika geheiratet habe, daß die Geisha wieder frei sei. Cio-cio-San läßt den Konsul kaum lesen, was in Pinkertons Brief steht, außer sich vor Freude, endlich etwas von ihrem Geliebten zu hören, frägt sie. Goro hat von der Heirat Pinkertons erfahren und bringt den reichen Yamadori als Freier mit. In der Meinung, Sharpless habe Butterfly bereits unterrichtet, unterbreiten sie ihren Vorschlag und werden von der Ahnungslosen entrüstet zurückgewiesen. Goro hat aber eine Neuigkeit: Pinkertons Schiff werde im Hafen erwartet. Butterflys Freude ist so groß, daß Sharpless noch immer nicht den Mut findet, ihr die Wahrheit zu sagen. Sein Rat, Yamadori zu heiraten, findet nur Unverständnis. Sieht er denn nicht, daß sie und Pinkerton zusammengehören, sieht er es nicht in den Augen ihres Kindes? In ihrem geschmückten Haus wartet Butterfly mit ihrer Dienerin eine Nacht lang, eine letzte Nacht noch, auf ihren Gatten.

3. Akt
Erst gegen Morgen ist Cho-cho-San vom Schlaf überwältigt worden. Als Pinkerton in Begleitung des Konsuls kommt, wird er von Suzuki empfangen. Ihre Schilderung von Butterflys Treue greift ihm ans Herz. Doch Suzuki muß sehen, daß das Verhängnis nicht mehr aufzuhalten ist: im Garten erblickt sie die Gattin Pinkertons, die Frau, die er aus Amerika mitgebracht hat. Von Reue gepackt, flieht Pinkerton, Kate und der Konsul sind erschüttert. Madame Butterfly erfaßt mit einem Blick die Situation. Ihre freudige Erregung weicht einer beängstigenden Ruhe: sie gibt dem Drängen nach, ihr Kind dem Vater zu übergeben, er selbst möge es in kurzer Zeit abholen. Allein geblieben, nimmt Butterfly Abschied von ihrem Kind. Dann tötet sie sich nach der Sitte ihrer Väter. "Ehrenvoll zu sterben, wer nicht länger in Ehren leben kann."