Лейтенант американского флота Пинкертон собирается жениться на молоденькой, японке Чио-Чио-сан, прозванной Баттерфляй, которую за щедрое вознаграждение сосватал ему местный сват и маклер в одном лице – Горо. Свадебная церемония уже готова и Горо показывает Пинкертону домик, снятый для будущих супругов. Консул Шарплес предостерегает Пинкертона от опрометчивого шага, но лейтенант не скрывает намерения заключить фиктивный брак, ведь здесь это так модно, тем более, что вернувшись на родину он намерен вступить в законный брак с американкой. Появляется свадебная процессия во главе с Чио-Чио-сан. Юную гейшу Шарплес встречает с иронией. Однако Чио-Чио- сан даёт консулу достойный ответ, вызывая его уважение. Церемония бракосочетания состоялась. Внезапное появление Бонзы - дяди Чио-Чио-сан – прерывает праздник. Бонза проклинает племянницу за то, что она в угоду чужеземцу изменила предкам и приняла другую веру. Свадьба расстроена. Семья покидает Чио-Чио-сан. Пинкертон утешает девушку, но оставшись впервые наедине они испытывают особенное чувство, не знакомое им раньше.

Уже три года Чио-Чио-сан ждёт возвращения супруга, который уехал вскоре после свадьбы. Отвергнутая родными, она живет вместе со своей служанкой Сузуки. Деньги, оставленные Пинкертоном почти на исходе, но надежда не оставляет ее. В сопровождении Горо в их домик приходит Шарплес, который принёс письмо от Пинкертона. Чио-Чио-сан слишком взволнована и просит консула прочесть его. Однако Шарплесу не удается дочитать письмо. Услышав, что муж здоров и скоро должен прибыть в Нагасаки, Чио-Чио-сан прерывает его. Появляется принц Ямадори, за которого Горо упорно сватает Чио-Чио-сан. Получив очередной отказ, принц вынужден удалиться. Шарплес намекает на то, что Пинкертон может не вернуться и советует Чио-Чио-сан принять предложение Ямадори. Чио-Чио-сан оскорблена предложением Шарплеса и признаётся в том, что у неё есть сын – Долоре и он - сын Пинкертона. Слышится пушечный выстрел – это в порт входит американский корабль, на котором должен прибыть Пинкертон. В радостном волнении Чио-Чио-сан украшает домик цветами и, ожидая мужа, всматривается в огни остановившегося судна.

В ожидании Пинкертона Чио-Чио-сан вместе с Долоре и Сузуки проводит бессонную ночь. Усталая, но счастливая она уводит сына отдохнуть. Сузуки видит Пинкертона и Шарплеса, которых привел Горо. С волнением и радостью она приветствует их, не сразу замечая даму, пришедшую с ними. Шарплес открывает Сузуки правду: это жена Пинкертона – Кэт. Узнав, что у него есть сын, Пинкертон приехал, чтобы забрать его, в надежде, что ребёнок поможет сохранить его законный брак. Но Пинкертону слишком тяжело находиться в месте, где всё напоминает ему о том невероятном чувстве, которое он испытал рядом с Чио-Чио-сан. Желая избежать нахлынувших воспоминаний, Пинкертон сбегает. Появляется Чио-Чио-сан. Она ищет Пинкертона и тоже замечает незнакомку. Чио-Чио-сан предчувствует надвигающуюся беду. Потрясенная до глубины души волей отца ребенка, она соглашается отдать мальчика, но не может пережить крушение всех своих надежд. Нежно простившись с сыном, Чио-Чио-сан, как и её отец, совершает ритуал, по кодексу самураев.