Argument
Acte I
A Nagasaki, au Japon, un jeune américain de passage, lieutenant de marine, Benjamin Franklin Pinkerton, a eu recours aux services de Goro, un entremetteur, grâce à qui il est aujourd'hui fiancé à une jeune geisha de 15 ans, Cio-Cio-San (papillon en japonais, appelée Madame Butterfly). Il retrouve Goro afin de visiter la maison qu'il a achetée. Il rencontre également ses serviteurs, parmi lesquels Suzuki, la servante de Cio-Cio-San. Arrive un ami de Pinkerton, le consul américain Sharpless. Pinkerton lui explique qu'il conçoit son mariage comme un divertissement dont on peut se dédire comme d'un contrat de location (« Dovunque al mondo, lo yankee vagabondo »). Sharpless l'avertit que ce mariage est très sérieux pour sa fiancée et regrette que son ami le prenne avec tant de légèreté. Mais Pinkerton porte un toast à son vrai mariage à venir, avec une américaine.
Butterfly arrive, entourée de parents et d'amis. Elle est heureuse et amoureuse de son fiancé. Elle parvient à charmer Pinketon, qui reste cependant cynique. Butterfly lui montre les objets qui lui sont chers : le sabre avec lequel son père s'est suicidé en se faisant hara-kiri et des statuettes symbolisant l'âme de ses ancêtres. Elle explique avoir renié son dieu pour adopter celui de son futur mari. La noce est célébrée dans la joie, jusqu'à ce que l'oncle Bonze apparaisse et maudisse Cio-Cio-San pour son reniement de la religion de ses ancêtres. Pinkerton cherche à défendre sa nouvelle épouse et chasse l'assemblée.
Une fois seuls, Pinkerton réconforte Cio-Cio-San et les deux époux chantent l'amour mutuel qu'ils se portent.
Acte II
Trois ans plus tard, Butterfly vit seule et abandonnée. Pinkerton a quitté le Japon depuis bien longtemps et sa famille l'a reniée. Suzuki, sa suivante, s'apitoie, mais Butterfly reste confiante, persuadée que Pinkerton reviendra comme il l'a promis (« Un bel di vedremo »). Goro et Sharpless arrivent. Le premier lui présente de riches prétendants, parmi lesquels le prince Yamadori, mais Cio-Cio-San lui répond qu'elle est déjà mariée. Sharpless lui lit alors une lettre de rupture de Pinkerton, dans laquelle il annonce cependant son retour à Nagasaki. Butterfly ne veut pas croire à la rupture et attend avec impatience le retour de son mari, qui s'est cependant marié à une américaine entre temps. Lorsque Sharpless tente de la raisonner, elle répond qu'elle se tuera si son mari ne revient pas et dévoile qu'un enfant est né de leur union, après le départ de Pinkerton.
Lorsqu'un coup de canon annonce l'arrivée d'un navire, Cio-Cio-San reconnait celui de Pinkerton et décore la maison de fleurs et revêt son habit de noces en son honneur. Puis elle attend l'arrivée de son mari, alors que Suzuki et l'enfant s'endorment (« Coro A Bocca Chiusa »).
Acte III
A l'aube, Cio-Cio-San n'a pas dormi. Suzuki la convainc de prendre du repos. C'est alors que Pinkerton et Sharpless arrivent, accompagnés de Kate, l'épouse américaine de Pinkerton. Kate demande à Suzuki de convaincre Cio-Cio-San de lui confier l'enfant afin d'assurer son avenir. Chacun comprend que Cio-Cio-San ne survivra pas à ces évènements. Suzuki est effondrée, Pinkerton regrette sa légèreté alors que Sharpless lui rappelle ses mises en garde. Pinkerton n'ayant pas le courage d'affronter Cio-Cio-San, s'enfuit. Butterfly se réveille alors et rencontre Kate. Elle comprend la vérité et accepte de confier son enfant au couple, à condition que Pinkerton vienne le chercher lui-même. Une fois seule, elle donne un drapeau américain à son fils et se donne la mort avec le sabre de son père, au moment où Pinkerton fait son apparition, horrifié.