Действие происходит в Нагасаки в начале ХХ века
Действие первое.
Лейтенант американского флота Пинкертон увлекся молоденькой гейшей Чио-Чио-сан по прозвищу Баттерфляй (Бабочка). Горо, профессиональный японский сват, показывает Пинкертону легко трансформируемый домик, снятый для будущих супругов. Здесь должен состояться по японскому ритуалу их брак. Дом сдается в аренду на 999лет с оговоркой, что от договора можно будет отказаться когда угодно. Такую же оговорку содержит и свадебный контракт.
Пинкертону представляют нанятых для супругов повара, слугу и служанку Чио-Чио-сан Сузуки.
Появляется первый гость – американский консул Шарплес. Пинкертон излагает ему свои легкомысленные взгляды на жизнь («Срывать цветы, где только возможно»), в частности, на брак с японкой, оставляющей ему возможность со временем жениться на американке. Он даже предлагает тост за тот день, когда введет в свой дом жену-американку.
Горо объявляет о прибытии Баттерфляй вместе с другими гейшами.
Шарплес расспрашивает девушку о жизни. Она рассказывает, что родилась в благополучной семье, но наступили тяжёлые семейные перемены (из жизни ушёл её отец). Они остались вдвоем с матерью, и, чтобы прокормиться, ей пришлось стать гейшей. Растроганный Шарплес предупреждает Пинкертона, чтобы он берег девушку и не причинял ей горя.
Появляется родня Чио-Чио-сан: мать, тётка, кузина, дядя Якусиде и другие гости-японцы. Они рассматривают жениха и расходятся во мнении о нём. Баттерфляй показывает будущему мужу милые её сердцу вещицы, которые она хочет оставить. Среди них Пинкертон видит узкий кинжал. Чио-Чио-сан спешит отнести его в комнату со словами: «Это моя святыня», а Горо объясняет Пинкертону, что этим кинжалом её отец по приказу микадо совершил ритуальное самоубийство. Баттерфляй приносит Пинкертону фигурки, объясняя, что в них живут души японских предков. Но тут же добавляет, что уже посетила американскую миссию, отказалась от своей веры и приняла религию любимого мужа.
Начинается обряд бракосочетания. Молодые подписывают контракт, и некоторые гости (Шарплес, Комиссар, Чиновник-распорядитель) после официальной части уходят. Праздник продолжается. Неожиданно появляется Бонза, японский священник. Это дядя Чио-Чио-сан, узнавший об её отречении от веры и переходе в христианство. Бонза проклинает Чио-Чио-сан и требует, чтобы вся родня покинула её. Разгневанный Пинкертон прогоняет японцев из своего дома. Мать пытается подойти к Баттерфляй, но её увлекают за собой другие родственники.
Оставшись наедине с молодой женой, Пинкертон утешает её. Он нежно объясняется ей в любви, называя своей бабочкой. Баттерфляй недоверчиво замечает ему: «Говорят, что в вашей стране человек, поймавший бабочку, прокалывает ей сердце иглой и оставляет погибать». Но объятия возлюбленного отгоняют прочь болезненные мысли. Баттерфляй счастлива. Молодожены поют похвалу ночи.
Действие второе.
Картина первая.
Прошло три года. Чио-Чио-сан преданно ждёт возвращения Пинкертона, ухавшего вскоре после свадьбы. Он обещал вернуться весной, но прошло уже три весны, а от него не было ни единой весточки, и он даже не знает, что у него родился сын.
Сузуки молится за Баттерфляй. Им не на что жить, родственники отвернулись от Чио-Чио-сан, и Сузуки выражает сомнение в том, что Пинкертон вообще когда-нибудь вернется.
Поначалу Баттерфляй сердится, но потом поёт свою знаменитую арию («В прекрасный долгожданный день»), в которой мечтает, как однажды Пинкертон приплывет на корабле в бухту, поднимется на холм и снова встретит свою любимую жену.
Свадебный маклер Горо привел с собой японца Ямадори, желающего жениться на Баттерфляй. Чио-Чио-сан отказывает принцу: она – замужняя женщина, и по законам Америки развод (как она уверенна) – преступление, карающееся правосудием.
Ямадори уходит, а Шарплес вновь предпринимает попытку прочитать письмо. Он спрашивает Баттерфляй, чтобы она сделала, если бы Пинкертон никогда не вернулся к ней. Баттерфляй отвечает, что она могла бы, конечно, вернуться к профессии гейши, но скорее всего, покончила бы с собой. Шарплес мягко советует ей принять предложение принца. Это невозможно, настаивает она и приводит ребенка.
Это её и Пинкертона сын. Сокрушенный новостью, Шарплес уходит, обещая сообщить о сыне Пинкертону. Доносится пушечный выстрел, возвещающий, что в порт прибыл американский корабль.
Баттерфляй охвачена радостью. Вместе с Суззуки она украшает дом, потом принаряжается и садится ждать мужа. Сузуки с ребенком устраиваются рядом.
Картина вторая.
Прошла ночь, но напрасно ждала Баттерфляй: Пинкертон не появился. Чио-Чио-сан уносит сонного ребенка в комнату.
Появляются Пинкертон и Шарплес. С ними незнакомая женщина. Сузуки спрашивает, кто она. Шарплес сообщает, что это – Кэт, жена Пинкертона. Они хотят, как говорил консул, забрать ребенка с собой в Америку и просят Сузуки уговорить Чио-Чио-сан.
Шарплес корит лейтенанта за бессердечие, напоминая, как предостерегал его, чтобы тот не шутил с привязанностью Баттерфляй, ведь она ещё совсем ребёнок.
Пинкертон чувствует угрызения совести, но не решается взглянуть в глаза Чио-Чио-сан, поэтому спешит уйти. Появляется Чио-Чио-сан, она сталкивается с Кэт и всё понимает.
Подчиняясь воле отца ребенка, Баттерфляй согласна отдать сына, но просит всех уйти. Оставшись одна, Чио-Чио-сан достает кинжал отца, читает на нём «Умирает с честью тот, кто не может смириться с бесчестьем».
Баттерфляй уходит из жизни так же, как и её отец.
