Действие происходит в Нью-Йорке в 1920-е годы
ПЕРВОЕ ДЕЙСТВИЕ
После размолвки со своей женой Пинкертон, бродя по городу, попадает в район «Маленького Токио». Хозяин курительного салона «Нагасаки» предлагает ему зайти и принять участие в небольшом представлении. Каждый день здесь разыгрывается действие, в котором посетитель может сыграть любую роль. В таком «спектакле» принимают участие актрисы, играющие гейш, которые развлекают гостей пением, беседой, зачастую флиртуя с ними, но сохраняя свое достоинство.
Пинкертон выбирает костюм и роль морского офицера. Сюда же приходит Шарплес — инспектор увеселительных заведений «Маленького Токио», но здесь у него есть и свой интерес: ему нравится одна из актрис, которую зовут Баттерфлай, что означает «бабочка».
Представление начинается. Среди актрис Пинкертона особенно привлекает Чио-Чио-сан — Баттерфлай. Появление родственника Баттерфлай, пьяницы Бонзы, прерывает представление. Бонза проклинает Чио-Чио-сан, забывшую веру своих предков. Пинкертон пытается успокоить Баттерфлай, но тщетно — она не настроена дальше вести беседу. Увлеченный красотой и изысканностью девушки, Пинкертон не в состоянии так сразу расстаться с ней, хотя посетителей просят покинуть заведение.
Баттерфлай в отчаянии: что делать? Бросить всё, уйти, но куда? Пинкертон уверяет ее в искренности своих чувств. У Баттерфлай появляется надежда…
ВТОРОЕ ДЕЙСТВИЕ
Утро. Пинкертон уходит, не сказав ни слова. Но Баттерфлай уверена: он вернется за ней. Сузуки, ее служанка, не верит в возможность этого союза.
Баттерфлай терзают сомнения: от памятной встречи остался лишь платок, которым он осушал ее слезы. Она мечтает получить весточку от любимого. Долгожданное письмо может принести только Шарплес, единственный человек, связывающий ее с Пинкертоном.
Приход богатого японца Ямадори, живущего в Америке, возвращает ее к реальности. Он тоже желает участвовать в представлении и быть либо японским принцем, либо великим воином. Но Баттерфлай не в силах продолжать игру, и Ямадори уходит ни с чем.
Баттерфлай вновь погружается в свой фантастический мир, где ее преследуют страшные видения. Кажется, что она сходит с ума, что какие-то неведомые силы бросили ее в темную комнату, из которой нет выхода. Ее окружают ужасные, непонятные фигуры…
И вдруг ей кажется, что возможно единственное спасение: Пинкертона может ей вернуть только ребенок, плод любви — их будущий сын.
Громкие крики опять возвращают Баттерфлай в реальный мир — это Горо, взбешенный ее отказом продолжать работу в заведении, приносящем доход. Он грозится выгнать ее, хотя прекрасно знает, что ей некуда идти.
Чио-Чио-сан с надеждой готовится к возвращению Пинкертона, в этом ей помогает Сузуки. Но его всё нет. Баттерфлай отправляется в ночной город на поиски Пинкертона.
ТРЕТЬЕ ДЕЙСТВИЕ
Раннее утро. В городе Баттерфлай встречает Кэт, которая тоже ищет Пинкертона. Кэт видит у Баттерфлай свой платок, который она во время ссоры с мужем бросила ему в лицо. Она понимает, что перед ней соперница, и направляется за ней.
Измученная Чио-Чио-сан засыпает и видит сон, в котором Пинкертона предают суду за то, что он так поступил с ней. И что у него, оказывается, есть жена — Кэт.
Проснувшись, Баттерфлай видит перед собой Кэт — сон становится явью.
Баттерфлай возвращает Кэт ее платок. Она понимает, что всё безвозвратно потеряно. Жизнь уже не имеет смысла.