Дія відбувається у Нагасакі (Японія) наприкінці ХІХ століття. Лейтенант американського флоту Пінкертон вирішує одружитися з юною японською гейшею Чіо-Чіо-сан, на прізвисько Баттерфляй. Горо, професійний японський сват, показує йому будиночок, який найнято для майбутнього подружжя. На церемонію приїжджає американський консул Шарплес, приятель Пінкертона. Під час їхньої розмови з’ясовуються цинічні наміри нареченого: в Америці його союз з японкою не матиме юридичної сили, так що він зможе вважати себе вільним від цього шлюбу. Шарплес стривожений такою цинічною позицією і застерігає Пінкертона, що Чіо-Чіо-сан занадто юна, чиста і щира. Пінкертон не чує доводів і, навіть, пропонує тост за той день, коли він дійсно по-справжньому одружиться на батьківщині.Лунають голоси Чіо-Чіо-сан та її подруг. Дівчина розповідає коханому про своє життя: батько її був знатним самураєм, але бідність змусила дівчину стати гейшею. Вона готова заради нього прийняти християнство і розірвати стосунки з родиною. Починається шлюбна церемонія, на якій присутній імператорський комісар. Її перериває гнівний голос бонзи, дядька Чіо-Чіо-сан, який проклинає племінницю за те, що вона зреклася своєї віри. Кинута близькими, дівчина плаче. Пінкертон турботливо її заспокоює.
Минуло три роки. Чіо-Чіо-сан чекає на Пінкертона, який після весілля поїхав до Америки. Покинута чоловіком, родичами, вона мешкає у своєму будиночку разом з покоївкою та маленьким сином, про існування якого Пінкертон досі не знає. Сузукі молить богів позбавити жінку нестатків та душевних страждань. Вона застерігає Баттерфляй, що чоловіки-іноземці майже не повертаються до своїх японських дружин. Та Чіо-Чіо-сан палко захищає своє кохання і запевняє, що Пінкертон повернеться. Приходить Шарплес, який на прохання Пінкертона, має підготувати Чіо-Чіо-сан до звістки: він одружився з американкою. Їхню розмову перериває Горо, який наполегливо сватає Чіо-Чіо-сан за багатого принца Ямадорі. Не задумуючись, Баттерфляй відмовляє йому. Консул намагається прочитати Чіо-Чіо-сан листа Пінкертона, але, почувши, що чоловік живий-здоровий і скоро має приїхати до Нагасакі, вона не дає дочитати його. У відповідь Шарплес радить жінці прийняти пропозиціюЯмадорі та робить натяк на те, що її чоловік може й не повернутися. Однак віра молодої жінки непохитна. Вона повідомляє консулу, що в неї є син, і Пінкертон, дізнавшись про нього, відразу повернеться. Шарплес обіцяє повідомити про це приятеля. Чується гарматний постріл – до порту заходить американський корабель, на якому має прибути Пінкертон. У радісному очікуванні, Чіо-Чіо-сан разом зі служницею прикрашають будиночок квітами.
Минула ніч. Очікування Чіо-Чіо-сан на зустріч марні. Втомлена, вона заколисує дитину і засинає. З’являється Пінкертон зі своєю новою дружиною Кет та консулом. Шарплес розкриває перед Сузукі правду і просить умовити Батерфляй віддати дитину на виховання батьку. Дізнавшись від Сузукі, як Баттерфляй чекала на чоловіка, прикрашала дім квітами, схвильований і розгублений Пінкертон залишає будинок. Побачивши Кет і консула, Чіо-чіо-сан починає все усвідомлювати. Шарплес радить жінці віддати хлопчика. Баттерфляй просить, щоб за сином прийшов сам Пінкертон. Коли всі розходяться, нещасна жінка готується до смерті. Не в змозі пережити зраду вона ніжно прощається з сином і вбиває себе.
Лібрето Луїджі Ілліки та Джузеппе Джакози за мотивами п’єси Давида Беласко та повісті Джона Лютера Лонга «Гейша»