Madama Butterfly – Akt I

Pinkerton, amerykański oficer, wynajmuje dom w pobliżu Nagasaki. Cieszy się na swój nadchodzący ślub z młodziutką Cio-cio-san. Małżeństwo to jest dla niego jedynie przelotną przygodą w kraju kwitnącej wiśni; ma zamiar wkrótce wrócić do Stanów i poślubić Amerykankę. Przed takim posunięciem przestrzega go Sharpless, amerykański konsul, który próbuje uświadomić Pinkertonowi, jaką krzywdę wyrządzi dziewczynie.

Cio-cio-san, nazywana zgodnie ze znaczeniem jej imienia Motylkiem, czyli Butterfly, jest tak podekscytowana ślubem z Amerykaninem, że w sekrecie nawraca się na chrześcijaństwo. Kiedy ceremonia ślubna dobiega końca, na weselu pojawia się Bonzo, wuj Cio-cio-san, który dowiedział się o jej konwersji. Oznajmia, że Butterfly nie może należeć już do rodziny i rzuca na nią klątwę. Za jego namową uczestnicy wesela się rozchodzą, wyrzekając się znajomości z Butterfly.

Pinkerton i jego nowo poślubiona małżonka przygotowują się do pierwszej nocy razem.

Madama Butterfly – Akt II

Trzy lata później. Butterfly wypatruje powrotu Pinkertona, który wyjechał tuż po ślubie, w tym czasie Suzuki usiłuje wytłumaczyć jej, że mąż ją opuścił na zawsze. Pojawia się Goro, który przedstawia Cio-cio-san bogatego Yamadori, który chce ją wziąć za żonę. Butterfly jednak odprawia go z kwitkiem, uważając się za prawowitą żonę Pinkertona

Sharpless odwiedza Butterfly, przynosząc list, który otrzymał z Ameryki od Pinkertona. Usiłuje przeczytać Butterfly wiadomość, z której wynika, że Pinkerton nie ma zamiaru wracać do Japonii, Cio-cio-san jednak jest tak podekscytowana wiadomością od ukochanego, że nie pozwala mu skończyć. Sharpless bez ogródek mówi jej, że nie ma co liczyć na powrót męża. To sprawia, że Cio-cio-san ujawnia, że urodziła Pinkertonowi dziecko. Prosi konsula, żeby mu o tym powiedział sądząc, że ta informacja skłoni Pinkertona do powrotu.

Suzuki i Butterfly widząc okręt wpływający do portu przygotowują się na powrót Pinkertona. Czekają całą noc – Suzuki i chłopczyk zasypiają, Butterfly jednak  czuwa, chcąc powitać męża.

Madama Butterfly – Akt III

Suzuki budzi się o świcie i przekonuje Cio-cio-san, żeby się położyła. W tym czasie przybywają Sharpless i Pinkerton wraz ze swoją nowo poślubioną amerykańską żoną Kate. Ta zgodziła się wychować dziecko Cio-cio-san. Pinkerton widząc przystrojony dom uświadamia sobie, jaki błąd popełnił i nie ma odwagi spojrzeć Butterfly w twarz. Pozostawia Suzuki, Kate i konsula, żeby przekazali jej informację o tym, że zamierza zabrać jej dziecko. Kiedy Cio-cio-san się budzi, uświadamia sobie całą sytuację. Godzi się oddać syna, pod warunkiem, że Pinkerton przyjdzie osobiście się z nią zobaczyć.

Żegna się ze swoim dzieckiem, wysyła je do ojca i porywa się na własne życie.