第1幕　長崎の海を見下ろす家・庭先
　結婚仲介人のゴローに導かれて、アメリカの海軍士官ピンカートンがやってくる。ゴローは得意になって家の造作を説明する。この家はピンカートンが新居として借り受け、ここでゴローの紹介を受けた日本の花嫁を待ち受けるのだ。やがてアメリカ領事シャープレスが、汗だくになって坂を上ってくる。シャープレスに対し、ピンカートンは家も女も思うがままとアメリカ万歳を叫ぶが、シャープレスはこの結婚に誠意がないと、彼を諫める。そこへはるか坂の下から上ってくる明るい女たちの声、なかには花嫁・蝶々さんの声も聞こえる。幻想的な美しい音楽。やがて家族や友人に囲まれた蝶々さんが丘の上にたどり着き、ピンカートンたちに挨拶をする。シャープレスの問いに応えて身の上を語る蝶々さん。かつては富裕だった実家が落ちぶれて芸者になったこと、まだ15歳であることを知るとピンカートンは驚く。やがて神官や役人など男たちも到着。ピンカートンは蝶々さんの持ち物のなかに亡父の形見である短刀を見つける。蝶々さんの父はミカドの命により切腹したのだった。蝶々さんは結婚に先立って、一人こっそりと教会へ行って新しい神様（キリスト）に祈ったことを打ち明ける。そして結婚の儀が始まる。無事に儀式が済んで神官たちが去ったところに、突然現れたのは激怒した伯父のボンゾ。教会に行ったことを責め、日本の神を捨ててご先祖様をないがしろにしたと蝶々さんを激しく罵り、皆を引き連れて去っていく。親類縁者に勘当されて一人取り残された蝶々さんを、ピンカートンは慰める。やがて夕闇がたちこめて、二人は家に入る。小間使いスズキの手を借りて初夜の装いをする蝶々さん。いつしか夜のとばりが下りて、空に星がまたたく。庭先に出て二人きり、幸福に酔いしれたように濃密な愛の二重唱を奏でる。

第2幕　蝶々さんの家の中
　ピンカートンから音沙汰もなく3年が過ぎて、蓄えも尽きてきたにもかかわらず、蝶々さんは健気にも帰りを待っている。あきらめかけている小間使いのスズキを叱咤して、ある晴れた日に港に船が入ってくると信じて歌う。そこへ姿を見せたのはゴローとシャープレス。実はシャープレスはピンカートンからの手紙を携えてきていた。ゴローは今度はヤマドリという金持ちを蝶々さんと添わせようとしている。やがて供を引き連れて堂々と姿を見せるヤマドリ。しかし蝶々さんはヤマドリをけんもほろろに追い返すと、シャープレスに手紙を読んでくれるよう頼む。手紙の文言に一喜一憂する蝶々さんだったが、もしピンカートンが蝶々さんのもとに戻らなかったら、という問いに衝撃を受ける。そうなったら芸者に戻るか死ぬか、道は二つしかないと、意気消沈する蝶々さん。思い出したように、奥から金髪碧眼の子を連れてくる。これはピンカートンの子、しかし彼はそのことを知らない。あまりの窮境に涙を抑えきれず、シャープレスは去る。そのとき港の方から大砲の音が響いてくる。軍艦が来た！ と感動に震える蝶々さん。縁側に出て望遠鏡を覗くと、それはピンカートンの船（アブラハム・リンカーン号）ではないか！ ついに彼は帰ってきたのだ。蝶々さんは興奮して気もそぞろながら、部屋一杯に摘んだ花をまき散らし、ピンカートンを迎える準備を始める。そして港へは迎えに行かず、ここでじっと待つことを決めたのだった。

第3幕　前幕と同じ蝶々さんの家
　美しいハミングが聴こえる。夜が次第に明けていく。港の方から水夫たちの威勢のいい掛け声。まんじりともせずに夜を明かした蝶々さん、スズキはいつの間にか寝入っていたようだ。蝶々さんは坊やを寝かしに寝室へ去る。そこへピンカートンとシャープレスが入ってくる。花々で飾り付けられた部屋を見て感動するピンカートン。スズキがふと見ると、庭先に外人の女の姿。それがピンカートンの奥方ケートだと聞いて驚くスズキ。シャープレスは言いにくいことを告げる。つまり、坊やだけを引き取るというのだ、そのためにスズキに協力してほしいという。ピンカートンは3年もの間、蝶々さんが心変わらず自分を待ちわびていたことを知り、初めて悔悟の念に打たれ、逃げるように去っていく。シャープレスは言葉もなくうなだれる。ケートはスズキに子供の処遇を蝶々さんに伝えるよう促す。スズキを呼ぶ蝶々さんの声。やがて姿を見せた蝶々さんは、ケートの姿を見て、ハッとすべてを悟る。坊やの幸福のためにと、説得するシャープレスとケート。蝶々さんは何かを決意したように申し出を承諾し、半時間したら直接ピンカートンに坊やを引き渡すと約束する。スズキを部屋から去らせると、蝶々さんは形見の短刀を取り出し、静かにその銘を読む。「名誉を守ることができなければ、名誉のために死ね」。蝶々さんは刃を喉にあてる。そのとき戸を開けてスズキが坊やを蝶々さんの方に押しやる。坊やを掻き抱く蝶々さん。最期の別れを告げる。坊やに目隠しをさせてから、屏風の陰に行き、そこで自害して果てる。そのとき遠くから蝶々さんを呼ぶピンカートンの声。蝶々さんは力をふりしぼって、屏風の陰からはい出し、坊やを抱きしめようとするが、途中で力尽きるのだった。