I чин

Амерички поморски официр Пинкертон, одлучио је да се ожени младом дражесном гејшом Ћо-Ћо-Сан коју је назвао Батерфлај („Лептирица“). Купио је малу кућу од прућа у цветном врту.

Посећује га амерички конзул у Нагасакију, који невољно прима Пинекртоново иронично објашњење да, по јапанским законима, брак и кућу може отказати сваког првог у месецу. Конзул Шарплес мисли да је Ћо-Ћо-Сан искрено заволела Пинкертона и да овај не би смео повредити њена осећања. Али, Пинкертон испија здравицу „правом“ браку с једном Американком.

Издалека се зачује песма, долази невеста са сватовима.

Трговачки посредник Горо указује Американцима да је Ћо-Ћо-Сан из отмене племићке породице која је осиромашила, пошто је њен отац пао у немилост на двору и, по налогу Микада, извршио самоубиство харакиријем. Ћо-Ћо-Сан је, између осталих ствари, донела и нож којим се њен отац убио.

Обавља се кратка церемонија венчања, а затим се гости припремају за одлазак, пошто је конзул с чиновницима већ кренуо натраг у град.

Одједном се из даљине зачује клетва. Стриц Ћо-Ћо-Сан, стари јапански свештеник Бонзо, дознавши да му је нећака напустила своју веру, долази и проклиње је због тога.

Ћо-Ћо-Сан је дубоко потресена тим догађајем, али се ипак, сва срећна, предаје љубави према Пинкертону.


II чин

Прошле су три године. Пинкертон је напустио своју невесту после неколико месеци, не јавивши се више.

Иако сви наговарају Ћо-Ћо-Сан да га заборави и потражи срећу на другој страни, она га и даље верно чека. Када јој Сузуки наговести да им је преостало још мало новца, она разочарано закључује да превише троше. Теши се и нада, те уверава Сузуки, како ће се ипак једног дана Пинкертонов брод опет појавити у луци Нагасакија.

Код Ћо-Ћо-Сан долази конзул Шарплес. Она је сва ван себе од узбуђења јер слути да јој он доноси вести од Пинкертона.
Конзул је сметен. Пинкертон му је послао писмо у којем га званично моли да саопшти Батерфлај о његовој женидби с једном Американком. Њено узбуђење не даје му снаге да јој саопшти садржај читавог писма. У том часу долази принц Јамадори и удвара јој се, она га упорно одбија. Принц одлази, али с надом да ће Ћо-Ћо-Сан ипак променити своје мишљење.

Конзул тада даје до знања малој Јапанки да ју је Пинкертон можда заборавио и да се никада више неће вратити. На те речи Ћо-Ћо-Сан огорчено прекида разговор и излази из собе. Одмах затим се враћа, с малим плавокосим дететом и с питањем: „Зар Пинкертон може заборавити ово?“

Шарплес је ганут. Пинкертон не зна да има синчића, али он ће му то свакако јавити.

Након конзуловог одласка, Сузуки узбуђено јавља Ћо-Ћо-Сан да се Горо, који је довео Јамадорија, наоколо шуња и прича како се не зна ко је отац детета. Ћо-Ћо-Сан запрети ножем Гороу који успева да побегне.

Тада одјекне хитац из луке. Велики ратни брод допловио је у Нагасаки. Ћо-Ћо-Сан узбуђено дурбином покушава да прочита његово име. То је Пинкертонов брод! У великој радости она и Сузуки доносе из врта цвеће којим украшавају кућу, а затим се спрема да чека с дететом и Сузуки мужевљев повратак. Из даљине се чује песма морнара у луци.


III чин

Свануо је дан. Сузуки се буди и наговара Ћо-Ћо-Сан да се одмори. Она пристаје и излази из собе носећи уснуло дете којем пева успаванку. Сузуки остаје сама, те њу прву сусреће Пинекртон, у пратњи своје жене Кејт и конзула. Сузуки је свесна да ће то бити крај мале Јапанке.

Пинкертон и Шарплес траже од ње да наговори Ћо-Ћо-Сан да Пинкертону и његовој жени преда сина.

Сузуки пристаје тешка срца, али уз услов да прво остане насамо с њом.

Пинекртон, због гриже савести, не може више да издржи, те се повлачи.

Одједном наилази Ћо-Ћо-Сан. Угледавши конзула, мисли да је ту и Пинкертон. Тражећи га свуда по кући, наилази на ледено ћутање присутних. У врту спази непознату даму.

Сазнавши истину, она се ломи, но пристаје да преда дете, обраћајући се сада младој Американки, као „најсрећнијој од свих жена“. Једини услов Ћо-Ћо-Сан је да Пинекртон дође по сина сам, кроз један сат.

Посетиоци одлазе, а Ћо-Ћо-Сан врши припреме за харакири; узима очев нож и чита посвету на њему: „Боље је часно умрети него нечасно живети.“

За то време, слутећи несрећу, Сузуки шаље дете у собу код мајке. Она целива сина, грлећи га очајно, и упућује му последње збогом.

Оставши сама, убија се иза паравана очевим ножем. Кад Пинкертон стигне, већ је касно.