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Benjamin Franklin Pinkerton, un oficial de la Armada de Estados Unidos, inspecciona una casita en una colina cercana a Nagasaki desde la que se ve el puerto. Va a alquilársela a Goro, un servicial casamentero. Junto con la casa recibe también a tres criados y a una geisha como mujer, cuyo nombre es Cio-Cio San, pero que es conocida como Butterfly. El alquiler, según la costumbre japonesa, es por una duración de 999 años, susceptible de ser renovado todos los meses. El cónsul estadounidense, Sharpless, llega jadeante después de haber subido la colina. Pinkerton describe su filosofía del yanqui indómito que recorre el mundo en busca de experiencias y placeres. No está seguro de si sus sentimientos por la joven japonesa son realmente amor o simplemente un capricho, pero su intención es seguir adelante y celebrar la ceremonia nupcial. Sharpless le advierte de que es posible que la muchacha tenga una visión diferente del matrimonio, pero Pinkerton hace caso omiso de sus preocupaciones y le dice que algún día tendrá una verdadera esposa estadounidense. Ofrece al cónsul güisqui y propone un brindis.

Llega Butterfly con sus amigos para la ceremonia. En una conversación casual tras la presentación formal, la muchacha admite que tiene tan solo quince años y explica que su familia fue importante en otro tiempo, pero que luego perdió su posición desahogada, por lo que no le ha quedado más remedio que ganarse la vida como geisha. Llegan sus familiares y hablan sobre la celebración de un matrimonio tan desigual. Cio-Cio San enseña a Pinkerton sus exiguas posesiones y le confiesa que ha estado en la misión cristiana y que tiene la intención de convertirse a la religión de su marido. El comisionado imperial lee el contrato matrimonial y los parientes felicitan a la pareja. De repente, se oye desde lejos una voz amenazadora: es el bonzo, el tío de Butterfly, un sacerdote. Maldice a la muchacha por haber ido a la misión y por renunciar a su religión ancestral. Pinkerton les ordena a todos que se vayan e intenta consolar a Butterfly con palabras dulces. Suzuki le ayuda a ponerse el kimono nupcial antes de que la pareja se reúna en el jardín, donde se dejan llevar por la pasión.

Cuando comienza el Acto II han transcurrido tres años y Cio-Cio San está esperando el regreso de su marido a casa. Suzuki implora ayuda a los dioses, pero Butterfly le reprende por creer en los dioses japoneses en vez de en la promesa de Pinkerton de que un día regresaría. Aparece Sharpless con una carta de Pinkerton, pero antes de que pueda leerla a Butterfly, aparece Goro con el último pretendiente de la joven, el acaudalado príncipe Yamadori. Butterfly sirve amablemente té a los invitados, pero insiste en que no está disponible para contraer matrimonio: su marido estadounidense no la ha dejado y le dio palabra de que un día regresaría. Pide a Goro y Yamadori que se vayan. Sharpless intenta leer la carta de Pinkerton y sugiere a Butterfly que quizá debería reconsiderar la oferta de Yamadori. Como respuesta, ella le muestra al cónsul el hijo que ha tenido con Pinkerton. Dice que su nombre es “Pesar”, pero que cuando regrese su padre se llamará “Dicha”. Sharpless está demasiado hundido para seguir leyéndole el contenido de la carta. Se va prometiéndole que informará a Pinkerton sobre la existencia de su hijo. Un cañonazo en el puerto anuncia la llegada de un barco. Butterfly y Suzuki leen su nombre desde la terraza: es el de Pinkerton. Radiante de alegría, Butterfly se une a Suzuki para decorar la casa con flores. Cae la noche y Butterfly, Suzuki y el niño emprenden una vigilia sin apartar la vista del puerto.

Amanece y Suzuki insiste en que Butterfly intente dormir un poco. Butterfly mete al niño en la casa. Aparece Sharpless con Pinkerton y Kate, la nueva mujer de Pinkerton. Suzuki se da cuenta de quién es la mujer estadounidense y se muestra de acuerdo en ayudar a comunicar la noticia a Butterfly. A Pinkerton le invade la sensación de culpa y se retira un poco para recordar los días pasados en la casa. Cio-Cio San entra apresuradamente confiando en encontrar a Pinkerton, pero es a Kate a quien ve en su lugar. Comprendiendo la situación, se muestra de acuerdo en renunciar a su hijo, pero insiste en que sea Pinkerton quien vuelva a por él. Tras echar a todo el mundo, Butterfly saca la daga con la que su padre se había suicidado, pues prefiere morir con honor que vivir con vergüenza. Se detiene por un instante cuando entra el niño inesperadamente, pero Butterfly lo saca al jardín y ella se retira detrás de una cortina. Cuando llega Pinkerton, pronunciando su nombre, la joven se clava la daga.