En av operahistoriens älskade klassiker med oklanderligt vacker musik.
Akt I
Den amerikanske marinofficeren Benjamin Franklin Pinkerton har anlänt till Nagasaki och hyrt ett hus på en lerig gata på en kulle ovanför hamnen. Genom äktenskapsmäklaren Goro har Pinkerton köpt sig en femtonårig flicka, Cio-Cio-San, även kallad Butterfly. Kontraktet löper på 999 år, men kan av mannen sägas upp varje månad, precis som kontraktet på huset.
Pinkerton och Goro går igenom huset. Goro presenterar tjänarinnan Suzuki och berättar om Butterflys släktingar. Sharpless, den amerikanske konsuln, anländer för att vara vittne till vigselceremonin. Han försöker tala förnuft med Pinkerton, påpekar att Butterfly är ett barn och att hon tror på arrangemanget. Pinkerton avfärdar honom och säger att det ju inte är ett riktigt äktenskap utan att han köpt henne för stunden, och att han ser fram emot den dagen han gifter sig med en äkta amerikanska.
Butterfly anländer med sina väninnor och släktingar. Hon berättar för Pinkerton att familjen förlorat sin status, fadern begått seppuku på kejsarens order, och att hon tvingats försörja sig på gatan. Hon visar Pinkerton några personliga minnessaker, bland annat statyetter av sina förfäder och den tantō (kort svärd) som hennes far använde vid självmordet. Hon berättar också att hon i hemlighet konverterat till hans religion.
Kontraktet signeras och den korta bröllopsceremonin genomförs, men avbryts av Butterflys farbror, en bonze (buddhistisk präst). Han har fått reda på att Butterfly konverterat och förbannar henne. Han tvingar Butterflys familj och vänner att förskjuta henne. När samtliga har gått blir Butterfly ensam med Pinkerton, som äntligen ska få valuta för sina pengar.
Akt II
Tre år har gått sedan Pinkerton lämnade Japan. Butterfly väntar fortfarande på hans återkomst i huset på kullen. Pengarna är slut och Suzuki försöker upprepade gånger få Butterfly att inse att Pinkerton inte kommer tillbaka, men Butterfly förnekar det och hänvisar till hans löfte: han ska återvända »när rödhakarna bygger bo«.
Sharpless kommer med ett brev från Pinkerton där det framgår att han har gift sig med en amerikanska och att hans skepp är på väg till Japan igen. Sharpless får inte avsluta läsningen, eftersom Butterfly konstant avbryter. Den rike Yamadori anländer för att fria till Butterfly, något han gjort otaliga gånger sen Pinkerton försvann, men hon avvisar honom genom att envist påstå att hon redan är gift och hävda att den japanska lagen med sina köpekontrakt inte gäller henne. Hon lyder under amerikansk lag. När Sharpless antyder att Pinkerton inte tänker komma tillbaka och råder henne att godta Yamadoris erbjudande kör hon ut honom, men ångrar sig och springer och hämtar sin lille son. Sharpless, som inte känt till barnets existens, lovar Butterfly att meddela Pinkerton. Han går utan att ha sagt henne sanningen om Pinkertons giftermål.
Plötsligt hörs ett kanonskott från hamnen. Pinkertons skepp syns på avstånd. Butterfly förbereder huset med blommor medan Suzuki, som förstått vad som väntar, bedrövad ser på. De sätter sig till rätta med barnet och natten igenom väntar de på Pinkertons ankomst.
Akt III
På morgonen har Pinkerton fortfarande inte kommit och Butterfly drar sig tillbaka med barnet för att vila. Strax därpå anländer Sharpless tillsammans med Pinkerton och hans amerikanska hustru Kate. De vill förmå Butterfly att lämna ifrån sig pojken till Kate, som är barnlös, och ber Suzuki om hjälp. Pinkerton inser vad han gjort och springer därifrån för att slippa konfronteras med Butterfly.
Butterfly vaknar och när hon ser Sharpless med en främmande amerikansk kvinna börjar hon snart ana sammanhanget. Hon går med på att avstå sitt barn på villkor att fadern själv kommer och hämtar honom. Sharpless och Kate går. Butterfly tar avsked av sonen, som hon önskar ett bättre liv långt borta från misären. Ensam tar Butterfly fram sin fars tantō. Hon tar hellre sitt liv än återvänder till ett liv i prostitution.
