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 са цветним вртом. Посећује га амерички конзул Шарплес из Нагасакија, који невољно прима Пинекртоново иронично објашњење да, према јапанским законима, брак и кућу може отказати сваког првог дана у месецу. Ипак, конзул мисли да је Ћо-Ћо-сан искрено заволела Пинкертона и да овај не би смео повредити њена осећања. Али Пинкертон наздравља правом браку с једном Американком (Dovunque al mondo).
Издалека се чује песма, стиже невеста са сватовима. Трговачки посредник Горо казује Американцима да је петнаестогодишња Ћо-Ћо-сан из отмене племићке породице која је осиромашила, пошто је њен отац пао у немилост на двору и који је, по налогу Микада, извршио самоубиство харакиријем. А Ћо-Ћо-сан је, међу осталим стварима, донела и нож којим се њен отац убио.
Пошто се обавила кратка церемонија венчања, гости се припремају за одлазак, конзул је с чиновницима већ кренуо натраг у град.
Ћо-Ћо-сан из даљине чује клетву. Њен стриц, стари јапански свештеник Бонзо, дознавши да је нећака напустила своју веру, долази и проклиње је (Cio-Cio-san!). Она је због тога дубоко потресена, али се ипак, сва срећна, предаје љубави према Пинкертону (Bimba dagli occhi pieni di malia).

(пауза)

II чин – Прошле су три године. Пинкертон је без речи и поздрава напустио своју невесту после неколико месеци. Сви наговарају Ћо-Ћо-сан да га заборави и да потражи срећу на другој страни, али га она и даље верно чека.
Када јој Сузуки наговести да им је преостало мало новца, она разочарано закључује да превише троше. Теши се и нада, и уверава Сузуки како ће се једног дана Пинкертонов брод појавити у луци Нагасакија (Un bel dì vedremo).
Конзул Шарплес посећује Ћо-Ћо-сан. Она је сва ван себе од узбуђења јер слути да јој он доноси вести од Пинкертона. Конзул је сметен, пошто му је Пинкертон послао писмо у којем га званично моли да саопшти Батерфлај о његовој женидби с једном Американком. Узбуђење Ћо-Ћо-сан не улива снагу Шарплесу да би јој саопштио садржај читавог писма.
У том часу долази принц Јамадори. Он јој се удвара, а Ћо-Ћо-сан га упорно одбија. Јамадори одлази, али с надом да ће она променити своје мишљење. Конзул Шарплес јој тада саопштава 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, јер Пинкертон не зна да има синчића, али ће му конзул то свакако јавити.
Након конзуловог одласка, Сузуки узбуђено јавља Ћо-Ћо-сан да се Горо, који је довео Јамадорија, наоколо шуња и свима прича како се не зна ко је отац детета. Због тога ће Ћо-Ћо-сан чак и запретити ножем Гороу, који успева да побегне.
Тада одјекне хитац из луке. Велики ратни брод допловио је у Нагасаки. Ћо-Ћо-сан гледа кроз дурбин, и покушава да прочита име брода. Да, то је Пинкертонов брод! У великој радости она и Сузуки доносе из врта цвеће којим украшавају кућу (Tutti i fior?), а затим се спрема да чека с дететом и Сузуки свога мужа. Из даљине се чује песма морнара у луци.

(пауза)

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 Ћо-Ћо-сан. Пинкертон и Шарплес траже од ње да наговори Ћо-Ћо-сан да Пинкертону и његовој жени преда сина. Сузуки пристаје тешка срца, уз услов да прво остане насамо с њом. Пинекртон, због гриже савести, не може више да издржи, те се повлачи (Addio, fiorito asil).
Долази Ћо-Ћо-сан. Угледавши конзула, помишља да је ту и Пинкертон. Тражи га свуда по кући, али наилази само на ледено ћутање присутних. Спазила је непознату даму која се шета у врту. Ћо-Ћо-сан, пошто је сазнала истину и разлог доласка америчког брачног пара, ломи се, али на крају пристаје да преда дете, обраћајући се сада младој Американки, као „најсрећнијој од свих жена”.
Ћо-Ћо-сан поставља један једини услов – да Пинекртон дође сам по сина, кроз један сат.
Посетиоци одлазе, а Ћо-Ћо-сан узима очев нож и чита посвету на њему: „Боље је часно умрети него нечасно живети.” Слутећи несрећу, Сузуки шаље дете у собу код мајке. Ћо-Ћо-сан љуби и грли сина, упућује му последње збогом (Tu? Tu? Piccolo iddio). Оставши сама, убија се иза паравана очевим ножем. Пинкертон стиже али касно.