La vicenda, probabilmente riferita a un episodio realmente accaduto, si svolge a Nagasaki.
ATTO I:
Goro, sensale di matrimoni, ha procurato un matrimonio all'uso giapponese per il giovane tenente della marina americana, Pinkerton, con una sposa bambina, Cio-Cio-San, detta Butterfy. Il console americano a Nagasaki, Sharpless, spiega a Pinkerton che per la giovane giapponese questo è un matrimonio in piena regola e non un gioco da interrompere quando venga a noia.
Giunge Butterfly e il Commissario Imperiale celebra le nozze, quando giunge il Bonzo, zio di Butterfly, che maledice la nipote la quale ha rinnegato, con il suo matrimonio, la religione dei suoi padri. Pinkerton, rimasto solo con lei, tenta di consolarla, mentre i suoi parenti si sono tutti allontanati, ma lei si dichiara felice nonostante l'abbandono, tutta presa dal suo meraviglioso sogno d'amore.
ATTO II:
Parte 1ª: Cio-Cio-San attende oramai da tre anni il ritorno del marito, rientrato in America, e, nonostante il lungo tempo, è ancora fiduciosa del suo ritorno. La fedele domestica Suzuki tenta inutilmente di metterla di fronte alla realtà; giunge Sharpless con un messaggio di Pinkerton in cui le annuncia il suo abbandono, ma prima che possa terminare di leggere il messaggio giungono Goro e il ricco principe Yamadori che vorrebbe Cio-Cio-San in moglie; anche Shar-pless cerca di convincere la donna a risposarsi con il principe, ma essa rifiuta e dichiara ancora una volta di amare l'ufficiale americano. Preoccupato, Sharpless chiede a Butterfly cosa farebbe se Pinkerton non dovesse più tornare: essa indica il bambino avuto dal tenente e sostiene che se il padre sapesse del bambino tornerebbe certamente. Commosso da questa fiducia della giapponesina si allontana senza avere avuto il coraggio di leggerle il messaggio. Si ode un colpo di cannone: è la nave di Pinkerton che immediatamente Butterfly riconosce e in attesa del marito adorna la casa di fiori e indossa l'abito nuziale.
Parte 2ª: Butterfly ha atteso il marito tutta la notte. Pinkerton è sconvolto dalla notizia di avere un figlio e vorrebbe portarlo con sé negli Stati Uniti, ma non ha il coraggio di recarsi di persona da Butterfly e affida l'incarico alla moglie Kate e al console. Suzuki è disperata pensando al dolore della padrona e non trova le parole per avvisarla, ma quando Butterfly vede la donna americana con Sharpless capisce la verità e promette alla sposa dell'uomo amato di lasciare loro il bambino a patto che Pinkerton stesso venga a riprenderlo. Rimasta sola allontana Suzuki e chiama a se il figlio, lo benda, invitandolo a giocare e, dietro un Paravento, si uccide con la spada del padre. La giovane sposa muore proprio mentre Pinkerton sta entrando nella stanza gridando il suo nome.
Fonte scritta: Dizionario della musica e dei musicisti "I titoli e i personaggi II" (G-R); UTET