Будиночок на околиці портового міста Нагасакі. Сьогодні Пінкертон, лейтенант американської канонерки «Авраам Лінкольн», вступає в законний шлюб з гейшею Чіо-Чіо-сан — Баттерфляй, що в перекладі з англійської означає «метелик».

Американський консул в Нагасакі Шарплес радить Пінкертонові подумати про майбутню долю гейші. Покохавши Пінкертона і щиро повіривши в його любов, Чіо-Чіо-сан прийняла християнство й тим самим відрізала собі шляхи повернення до родини. Пінкертона мало цікавить майбутнє Чіо-Чіо-сан. Він мріє взяти від життя все і проголошує тост за справжню наречену — американку, з якою має одружитися після повернення на батьківщину. Весільне свято порушує бонза — дядько нареченої. Він проклинає дівчину за те, що вона зреклася віри батьків. Та Чіо-Чіо-сан щаслива: з нею її коханий Пінкертон.

Минуло три роки. Чіо-Чіо-сан все ще чекає коханого. Даремно Сузукі роз’яснює їй, що іноземці не повертаються до своїх жінок-японок. Даремно Шарплес намагається підготувати Чіо-Чіо-сан до того, що Пінкертон вже не повернеться. Вона відмовляє принцу Ямадорі, бо у неї є чоловік і сама вона мадам Пінкертон. Консул показує листа лейтенанта. Вражена жінка все ще не вірить: невже Пінкертон покине її та свого сина. Постріл гармати сповіщає про прибуття до порту військового корабля «Авраам Лінкольн». Чіо-Чіо-сан готується зустріти чоловіка. Минула ніч.

Чіо-Чіо-сан чекала даремно. У супроводі Шарплеса приходить Пінкертон зі своєю дружиною Кет, щоб забрати сина. Але Чіо-Чіо-сан просить передати Пінкертонові, що зараз сама віддасть хлопчика.

Нещасна жінка прощається зі своєю дитиною. Не маючи сил жити без сина і коханого, Чіо-Чіо-сан закінчує життя самогубством.