Cho-Cho-San - sopran
Suzuki - mezzosopran
F. B. Pinkerton - tenor
Kate Pinkerton - sopran
Sharpless - baryton
Goro - tenor
Yamadori - baryton
Bonza - bas
Komisarz - bas
Akt pierwszy
Na wzgórzu, w pobliżu japońskiego portu Nagasaki ma odbyć się ślub młodego porucznika marynarki amerykańskiej, Pinkertona z gejszą Cho-Cho-San nazwaną przez niego Butterfly. Pośrednik Goro wprowadza porucznika do domku kupionego dla młodej pary, w którym odbędzie się uroczystość weselna. Pierwszym z gości jest konsul Stanów Zjednoczonych w Nagasaki Sharpless, któremu Pinkerton zwierza się, że ujęty urodą i wdziękiem młodej Japonki, postanowił poślubić ją na sposób japoński: na dziewięćset dziewięćdziesiąt dziewięć lat. Wznosi przy tym toast za pomyślność dnia, w którym odbędzie się jego rzeczywisty ślub z Amerykanką. Sharpless ostrzega porucznika przed lekkomyślnym traktowaniem ceremonii ślubu, lecz Pinkerton zbywa przestrogi konsula. Nadchodzi Butterfly w otoczeniu krewnych i przyjaciół. Młoda gejsza przedstawia Pinkertonowi swych gości, a gdy zostają sami, w sposób pełen naiwności i prostoty opowiada historię swego życia. Wyznaje również narzeczonemu, że z miłości dla niego wyrzekła się nawet wiary swych przodków. Następuje ceremonia podpisania kontraktu ślubnego. Uroczystość weselną mąci nagłe przybycie kapłana buddyjskiego-bonzy wuja Butterfly, który przeklina Cho-Cho-San za porzucenie wiary i nakłania krewnych i przyjaciół, by się jej wyrzekli. Przerażeni goście opuszczają dom Pinkertona. Porucznik pociesza zrozpaczoną Cho-Cho-San. Piękny duet miłosny obojga kończy akt I.
Akt drugi
Minęły trzy lata. Opuszczona przez wszystkich Butterfly, żyje w biedzie ze swym małym synkiem i wierną służącą Suzuki. Pełna ufności i wiary w powrót męża, wypatruje pojawienia się upragnionego okrętu. Niespodziewanie nadchodzi konsul Sharpless z listem Pinkertona, by oznajmić smutną wiadomość o jego wiarołomstwie. Nie znajduje jednak w sobie dość siły aby wyznać całą prawdę. Ich rozmowę przerywa nadejście pośrednika Goro, który uprzedza wizytę bogatego księcia Yamadori od dawna zalecającego się do młodej Japonki. Butterfly jednak stanowczo odrzuca jego konkury. Niespodziewanie wystrzał z działa obwieszcza wpłynięcie do portu od dawna oczekiwanego okrętu. Szczęśliwa Butterfly przystraja wraz z Suzuki cały dom kwiatami i oczekuje na. przybycie upragnionego gościa.
Akt trzeci
Minęła noc. Zmęczona oczekiwaniem Butterfly, udaje się na spoczynek. Po chwili nadchodzi Pinkerton z Sharplessem i nieznajomą młodą damą. Suzuki dowiaduje się, że jest to żona Pinkertona, która przybyła wraz z mężem, by zabrać dziecko Butterfly. Zjawia się Cho-Cho-San. Gdy spostrzega młodą Amerykankę - rozumie swoją tragedię. Odprawia wszystkich obecnych, a wiernej Suzuki każe przesłonić okna i odejść z dzieckiem do ogrodu. Gdy zostaje sama, wydobywa ze skrytki stary rodowy sztylet, którym odbiera sobie życie.