Лейтенант американского флота Бенджамин Франклин Пинкертон с удовольствием осматривает домик с садом и видом на море, который приобрел для него в аренду (на 999 лет!) проворный Горо – в придачу к невесте-гейше (всего 100 иен). Пинкертону нравятся японские законы, по которым можно жениться на время и развестись, когда угодно. Лейтенант страстно увлечен своей прелестной 15-летней «бабочкой», которая любит Пинкертона настолько глубоко и сильно, что приняла христианство, отказавшись от веры предков.
Комиссар и чиновник-регистратор оформляют брак. Пинкертону не терпится остаться наедине с новобрачной, но неожиданно раздается грозный голос: дядя бонза проклинает Чио-Чио-сан за вероотступничество – теперь Баттерфляй для всех чужая. Она «отвержена… и счастлива».
Прошло три года, как Пинкертон уехал после свадьбы, обещав вернуться весной. Баттерфляй с маленьким сыном тяжело, она терпит нужду, но верит и ждет любимого. Её вера в любовь так сильна, что Баттерфляй отказывает сватающемуся к ней принцу Ямадори. А тем временем Пинкертон женится на американке.
В гавань входит «Авраам Линкольн» – корабль Пинкертона. Безумно счастливая Баттерфляй украшает цветами дом и, нарядившись в свадебные одежды, с волнением ждет утра.
На рассвете приходят Пинкертон и консул Шарплес. С ними Кэт, жена Пинкертона. Увидев Кэт, Баттерфляй все понимает и даже готова отдать сына – воля отца священна. Приняв решение, она совершает ритуальные приготовления и читает слова на кинжале: «С честью умирает тот, кто не сумел жить с честью». В этот момент вбегает сын. Нежно простившись с мальчиком, Чио-Чио-сан уходит за ширму и совершает харакири.