第一幕

在長崎港一個山上，美國海軍上尉平克頓正巡視他從婚姻掮客五郎租回來的新居。五郎介紹一位名叫蝴蝶的藝妓女子作他的妻子。平克頓對著美國領事夏普列斯暢談他盡情歡樂的人生哲學。他見過蝴蝶，深深地被她的美貌吸引著，更加強與她結婚的意念。夏普列斯警告他說日本女子重視婚姻的承諾，勸他不要如此狂妄。平克頓不理會勸告，並補充說有一天他將另娶「真正」的美國妻子。這時蝴蝶歡欣的歌聲從遠而至，在朋友的簇擁下來到屋前，蝴蝶告訴平克頓她當藝妓的經過，完全是因為家境衰落的緣故。不久，她的親人到來，大家七嘴八舌地發表對這椿婚事的意見。趁著大家都靜下來的時間，蝴蝶向平克頓展示她僅有的財物，並透露已為平克頓而改信基督教。在熱鬧的婚禮中，平克頓和蝴蝶由御吏作見證，結為夫妻，賓客們舉杯祝賀。喜宴中，蝴蝶的長輩坊主突然來臨，斥責她不應為此異國人而叛教。平克頓憤怒地命令坊主及眾人離去。蝴蝶傷心而泣，平克頓溫柔地安慰她，並替她抹乾淚水。暮色四合，在女僕鈴木的幫助下，蝴蝶穿上一襲純白色的和服與熱情的平克頓漫步在灑滿星光的庭院裏表達彼此的愛意。

第二幕

三年後，蝴蝶仍默默地等待丈夫重回她的懷抱。鈴木在菩薩像前為女主人祈禱，蝴蝶則目不轉睛地望著海港。鈴木勸蝴蝶再婚，因為平克頓不會再來。蝴蝶卻以堅毅無比的信心回答鈴木，並說在一個晴朗的日子裏，平克頓的船艦將在水平線上重現。美國領事帶來平克頓的信給蝴蝶，但未及告知蝴蝶信中內容，掮客五郎帶了一個富豪山鳥大人來向蝴蝶求婚，蝴蝶以有夫之婦的身分，對他們置之不理，並堅持她的美籍丈夫絕不會拋棄她。當二人離去後，夏普列斯把信讀出，並問她如果平克頓離棄她時將何以處之。蝴蝶驕傲地把他倆的愛情結晶品抱了過來，說當平克頓知道他有個兒子時，他肯定會重回她身旁。夏普列斯受了蝴蝶真情的感動，不忍心把平克頓再婚的消息向她透露，結果悄然離去。蝴蝶忽然聽到港內傳來炮聲，急取望遠鏡眺望，見到平克頓的船艦回來了。蝴蝶歡欣若狂，與鈴木把全屋散滿鮮花。夜幕低垂，蝴蝶穿上結婚時穿的禮服，與她的兒子和僕人鈴木等候丈夫的歸來。

第三幕

天亮了，鈴木勸蝴蝶回房休息。蝴蝶一面哼著搖籃曲，一面抱著兒子回房。不久，夏普列斯、平克頓和他的新婚妻子凱蒂來到。當鈴木了解實情後，失望得幾乎崩潰了。為了替女主人著想，鈴木答應用委婉的方法把這件事向蝴蝶揭露。平克頓心中充滿悔意，向溫馨的回憶道別。平克頓走後，蝴蝶衝了出來，她看不到心上人，卻見領事與一個陌生美國女人，她立刻明白這是怎麼一回事。蝴蝶答應交出兒子，只要孩子的父親回來帶走他。蝴蝶把鈴木差遣離去，取出一把匕首跪在佛像面前。當蝴蝶正要持劍自刎之時，鈴木讓兒子走進來。她哀傷地向小孩訣別，著他到外面去玩耍，然後刺項自盡。遠處傳來平克頓喚著蝴蝶的呼聲。