I чин

Политички затвореник Анђелоти побегао је из затвора Сан Анђело у Риму. Изнурен,  стиже у цркву Сан Андреа де ла Ваље и скрива се у капелу породице Атаванти.

Црквењак чисти цркву и на звук звона пева Angelus.

У том часу долази сликар Марио Каварадоси који месецима ради на Марији Магдалени.  Будући да светица личи на непознату жену која свакодневно долази на молитву у капелу, црквењак верује да је открио сликареву тајну. Али Каварадоси је светици дао лик своје љубавнице, певачице Флорије Тоске. У свом познатом монологу он јој се заклиње на верност.

Изненада се окренувши, сликар угледа Анђелотија који је управо хтео да умакне. Они се одраније познају и Каварадоси му даје корпу са својим обедом. Неко залупа на врата, Анђелоти се брзо враћа у капелу, а Каварадоси отвара врата и угледа Флорију Тоску. Обузета љубомором, жена га пита зашто је затворио врата и с ким је разговарао не саслушавши његова објашњења. Помоливши се пред Мадониним ликом, она открива Каварадосију своју жељу да убудуће живе једино за своју љубав, усамљени у сликаревој вили. Изненада, она примећује да Мадонине црте лица подсећају на маркизу Атаванти, али Каварадоси успева да је умири, величајући њену лепоту дивљењем пуним заноса: Које се још очи на свету могу упоредити с твојима? Разнежена Тоска га оставља његовом послу. Каварадоси обавештава Анђелотија да може отићи и саветује му да се до ноћи сакрије у бунар у његовом врту. Сликар дознаје да је непозната жена, која је сваког дана долазила да се моли, Анђелотијева сестра и да је у капели сакрила одело за свога брата. Топовски пуцањ наговештава да је Анђелотијев бег откривен и Каварадоси му журно показује пут. Црквењак улази и узбуђен прича певачима и духовницима да је Бонапарта потучен (1888); увече ће у Палати Фарнезе бити прослављена победа, а том приликом ће и Тоска певати. Хористи запевају Te Deum што прекида долазак Скарпије, шефа полиције, његовог уходе Сполете и пратње: они прогоне Анђелотија. Претраживши цркву, Скарпија проналази лепезу с грбом Атавантија, а уз то открива и сличност слике с цртама маркизе; то му је довољно за сумњу да је Каварадоси помагао Анђелотију у бегу. Сликар се враћа и док га испитују долази и Тоска. Да би изазвао њену љубомору, Скарпија показује лепезу и изјавивши јој љубав, шаље за њом своје уходе. Певачи настављају прекинути Te Deum у чему им се и Скарпија придружује.

II чин

У својој соби у Палати Фарнезе Скарпија чека вести својих ухода. Он се нада да ће ови пронаћи Анђелотија чиме би доказао Каварадосијеву кривицу и Тоску добио за себе. Међутим, Сполета га обавештава да је Тоску пратио до виле, али да тамо није пронашао Анђелотија. Споља се чује кантата у част победе. Скарпија наређује да се доведу Каварадоси и џелат; сликар тврди да није знао ништа о Анђелотијевом бегу. Сада је на реду Тоска. Она најпре неће ништа да каже, али када из суседне собе зачује крике свог љубавника, открива тајну Скарпији: Анђелоти је сакривен у бунару, у врту Каварадосијеве виле. Скарпија наређује џелату да престане с мучењем и уведе Каварадосија. Када сликар сазна да је Тоска открила Анђелотијево склониште, проклиње је. Један гласник улази и доноси вест да је Бонапарта однео победу код Маренга; сликар на то запева тријумфалну песму ослобођеној Италији и проклиње све тиране. Док га воде у затавор, Тоска настоји да разнежи Скарпију који пристаје али заузврат захтева да му се пода. Она одбија. Тада зачује добоше егзекуторског одреда и почне да се јада на окрутност искушења које јој је наметнуто, њој која је живела једино за своју уметност и љубав: Vissi d’arte, vissi d’amore. Скарпија је упоран, Тоска је неодлучна: да ли ће Каварадоси бити одмах пуштен ако она пристане? Но, Скарпијина моћ није тако велика: мораће извршити привидно смакнуће. И док се Тоска нада да ће својом жртвом спасти Каварадосија, Скарпија је вара: он наређује Сполети да се Каварадоси стреља. Тоска је узнемирена, али је Скарпија умири и дода: Управо као некада грофа Палмијерија. Сполета схвата превару, пошто је Палмијери стварно устрељен и удаљује се да би извршио припреме за смакнуће. Скарпија пише пропусницу за Каварадосија која нема вредности. Тоска на то узима нож са стола и након унутрашње борбе, пробада шефа полиције.

III чин

Поноћ. У једном казамату тврђаве Сан Анђело чувар веша лампу изнад стола. У даљини се чује песма пастира, звона откуцавају поноћ. Одред војника уводи Каварадосија који добија допуштење да напише писмо Тоски. Након неколико редака, он се препушта успоменама: сећа се како му је Тоска показала на светлост звезда: Небом су звезде сјале… – најчувенија епизода ове опере. Улази Тоска, показује му пропусницу и прича о разговору који је имала са Скарпијом, као и о његовој смрти. Потресен, Каварадоси јој љуби руке које су из љубави према њему крвљу упрљане. Тоска га упућује како да се држи за време привидног смакнућа и док се војници приближавају, они пуни заноса певају о новом животу који се пред њима отвара. Војници извршавају своју дужност. На Тоскино дозивање, међутим, Каварадоси остаје непомичан и она открива Скарпијину превару. А када примети Сполета са жандарима који долазе да је ухапсе, суноврати се са зидина у понор.