Първо действие
Лейтенант Пинкертон, служещ на американски кораб в пристанище Нагазаки и подвластен на своето любовно увлечение, е решил да се ожени за 15 годишната японска гейша Чо-Чо-Сан, наричана още от приятелите си „пеперудата” (Бътерфлай). Сватовникът Горо е уредил брачния договор и е наел малка къщичка на хълма за младоженците. Американският консул Шарплес, умолява Пинкертон да изостави този план, когато разбира, че Бътерфлай наивно вярва, че бракът ще бъде истински. Всъщност и женитбата и наема на къщата могат да бъдат прекратени с най-кратки предизвестия.
Лейтенантът иронизира загрижеността на Шарплес, докато Чо-Чо-Сан пристига със свои приятелки, радостна и усмихната. Шарплес научава че за да докаже любовта си към Пинкертон е изоставила религията на дедите си и е приела вярата на своя любим. Пинкертон разбира,че тя е дъщеря на обезчестен самурай, извършил сепуко, и поради тази причина се е наложило малкото момиче да бъде обучавано за гейша. Сватбеният договор е подписан и гостите пият тост за младата двойка, когато се появява будистки монах (чичо на Чо-Чо-Сан) и разгневен от нейната постъпка произнася проклятия по неин адрес. Това става причина приятелите и роднините ужасени да я изоставят. Пинкертон, ядосан бързо отпраща гостите и те си тръгват. С нежни думи той утешава плачещата девойка и двамата се отдават на своята любов.
Второ действие
В къщата на мадам Бътерфлай. Три години са изминали, откакто Пинкертон си е заминал. Сузуки е коленичила пред статуята на Буда и го моли да се смили над Чо-Чо-Сан, като й върне любимия. Бътерфлай постоянно очаква връщането на своя съпруг. Вперила поглед в пристанището тя по цели дни стои с малкия си син на прозореца. Пинкертон й е обещал да се върне щом цъфнат вишните, но те вече за трети път разцъфтяват, а него все още го няма. Бътерфлай е изоставена от всичките си близки. Сега Сузуки й казва, че нито един чужденец, женен за японка, не се е върнал. Чо-Чо-Сан обаче не вярва на думите й.
Идват Шарплес и Горо. Американският консул е получил писмо от Пинкертон, в което го моли да съобщи на Бътерфлай, че се е оженил. Той скоро ще пристигне в Япония, но с новата си жена. Младата японка посреща с радост Шарплес. Това смущава консула и той не се решава да й предаде съдържанието на писмото.
Появява се принц Ямадори, който иска да се ожени за Бътерфлай. Принцът й предлага богатства и щастлив живот, но Чо-Чо-Сан отказва. Огорчен, Ямадори си отива. Шарплес се опитва да подскаже на Бътерфлай да не отказва ръката си на Ямадори, но тя се оскърбява дълбоко от неговите думи. Тогава консулът я пита, какво би направила, ако нейният мъж не се върне. На нея й става ясно какво е имал предвид Шарплес, с настояването си да се омъжи за Ямадори. Прикрива мъката си и с гордо вдигната глава казва, че тогава за нея би било по-добре да умре. Бътерфлай довежда детето си.
Младата японка се надява, че Пинкертон ще се върне, ако не за нея, то за него. Шарплес пита за името на малкия и тя отговаря: „Сега то се казва Скръб, но ако баща му се върне, ще се казва Щастие.“ Трогнат, Шарплес обещава скоро отново да я посети.
Раздава се топовен изстрел. Развълнувана Бътерфлай взима далекогледа и поглежда към пристанището. Обхваща я силно вълнение. Това е корабът, на който служи Пинкертон. Бътерфлай и Сузуки в радостно очакване подготвят къщата с цветя. Двете и детето застават да гледат, кога ще се появи Пинкертон. Нощта идва. Сузуки и детето заспиват, но Бътерфлай, измъчвана от безпокойство не може да заспи.
Трето действие
Слънцето изгрява. Бътерфлай е чакала цяла нощ връщането на Пинкертон, но него го няма. Тя все още стои неподвижна в очакване. Сузуки се събужда и помолва господарката си да си легне, като обещава, че ако Пинкертон дойде, тя веднага ще я събуди. Бътерфлай взима детето си и влиза в своята спалня.
Скоро идват Пинкертон и Шарплес. Като ги вижда, развълнуваната Сузуки веднага тръгва към стаята на господарката си, но те я спират. Прислужницата започва да им разказва как Бътерфлай очаква своя любим, но изведнъж вижда в двора непозната жена и млъква. Пинкертон смутено се обръща настрана. Шарплес тихо казва истината на Сузуки - това е съпругата на Пинкертон, която желае да вземе със себе си детето. Разстроен, Пинкертон избягва.
На вратата неочаквано се появява Бътерфлай. Тя се е досетила, че съпругът й се е върнал, и с радост иска да го види. Вместо него обаче вижда младата жена. Чо-Чо-Сан няма нужда от обяснения — разплаканите очи на Сузуки и женското й сърце разкриват истината.
Кейт Пинкертон я моли да й даде детето, но Бътерфлай отговаря, че ще го повери само на баща му. Шарплес отвежда Кейт Пинкертон, а Бътерфлай помолва Сузуки да я остави сама.
Тя нежно се прощава с детето си и с ритуален нож в ръка влиза в стаята. Единствено, което сега й е останало, е да изпълни завета на своя баща — ако не можеш да живееш с чест, умри с чест.
Миг по-късно се появява. Прегръща детето си за последен път и пада на пода.
Пинкертон се втурва в къщата и намира умиращото момиче. Лейтенантът извиква името й раздиран от силна болка и вина...
