De Japanse huwelijksmakelaar Goro vindt een bruid voor de Amerikaanse marineofficier Benjamin Pinkerton, de vijftienjarige Cio-Cio-San, die bekendstaat als Madama Butterfly. Trots vertelt Pinkerton aan de consul, Sharpless, dat hij de ideale vrouw gevonden heeft…tot de tijd rijp is een Amerikaanse te trouwen. Sharpless tracht hem te waarschuwen dat Butterfly hun huwelijk een stuk serieuzer neemt. Pinkerton weigert te luisteren, en trouwt met zijn Butterfly.
Drie jaar zijn verstreken sinds Pinkerton Nagasaki heeft verlaten. Drie jaar waarin Butterfly op haar officier wachtte. Eindelijk komt Sharpless het nieuws brengen dat Pinkerton terugkomt, maar: met de Amerikaanse vrouw waarmee hij inmiddels getrouwd is. Sharpless informeert voorzichtig wat hij zal doen als haar man niet bij haar terugkeert, waarop Butterfly geschokt de kamer verlaat. Zij komt terug met haar zoontje: Pinkerton kan toch onmogelijk zijn eigen kind in de steek laten? Als uiteindelijk een kanonschot de komst van Pinkertons schip aankondigt, wacht Butterfly de hele nacht op hem. Pas tegen de ochtend valt zij in slaap. Pinkerton arriveert en ziet het bewijs van liefde in Butterfly’s geduldige wachten. Hij ontvlucht vol wroeging het huis. Butterfly ontwaakt en ziet in de tuin Kate staan, Pinkertons vrouw. Ze begrijpt dat Pinkerton is gekomen en ze is bereid haar kind aan hem en Kate af te staan, op voorwaarde dat hij zijn zoon zelf komt ophalen. Ze neemt afscheid van haar kind, pakt de dolk van haar vader en steekt zichzelf dood.