La storia ha inizio a Nagasaki, agli inizi del Novecento. Pinkerton, tenente della marina degli Stati Uniti, si unisce in matrimonio a Cio-Cio-San, una geisha quindicenne. Il matrimonio si celebra secondo la legge giapponese; questo da diritto a Pinkerton di ripudiare la moglie in qualsiasi momento per sposare una donna americana. Le azioni di Pinkerton sono guidate da spirito d'avventura e dalla vanità. Al contrario Cio-Cio-San – che dopo le nozze si fa chiamare Madama Butterfly – è realmente innamorata dell'ufficiale di marina. Questo amore attira su di lei l'ira dello zio bonzo, che la accusa di aver rinnegato la sua cultura e la famiglia. Poco dopo le nozze, Pinkerton torna in patria, abbandonando la giovane sposa. Butterfly è fiduciosa del fatto che suo marito tornerà da lei in primavera come da lui promesso ma nel frattempo Pinkerton si risposa con l'americana Kate. Dopo tre anni Pinkerton fa ritorno a Nagasaki insieme a Kate. Butterfly chiede a Suzuki di preparare la casa per accogliere nel migliore dei modi quello che crede essere ancora il suo sposo. Pinkerton, messo a conoscenza dell'esistenza di un figlio si reca da Butterfly; la sua unica intenzione è di prendere suo figlio, portarlo negli Stati Uniti ed educarlo secondo gli usi occidentali. Solo a questo punto Butterfly apre gli occhi e capisce la realtà delle cose. La sua grande storia d'amore era in realtà solo un'illusione. Decide dunque di uscire di scena in silenzio togliendosi la vita con un pugnale cerimoniale donatole dal padre.