舞台は1895年頃の長崎。アメリカの海軍士官ピンカートンは、日本に滞在する間の戯れに、斡旋屋のゴローに頼んで、丘の上の小さな家と「現地妻」を買った。ところが、ゴローに紹介されて現れたのは、15歳の可憐ながらも芯の強い、夫に忠実であろうとする少女――蝶々さんであった。彼女は没落した武家の娘で、この結婚が決まるまでは芸者として身を立てていた。事態を懸念したアメリカ領事シャープレスは、ピンカートンに不用心な戯れは避けるよう忠告するが、その忠告がピンカートンの耳に入ることはなく、そのまま結婚式は執り行われる。

　夫婦の契りの署名が終わり、披露宴に入ろうというところで、蝶々の伯父である僧侶（ボンゾ）が怒鳴り込んでくる。蝶々さんがこの結婚のために教会で改宗したことが、伯父の耳に入ってしまったのだ。伯父は親戚一同に蝶々さんと縁を切るよう扇動し、彼女は一切の身寄りを失ってしまう。しかしながら、期せずして2人きりになってしまった状況は、ますます蝶々さんの愛に火をつけ、ピンカートンの情を燃やし、2人は熱い夜を過ごすのであった。

　それから3年が経ち、蝶々夫人は腹心の女中スズキとともに、海を渡って行ってしまったピンカートンの帰りを、ひたすらに待っていた。「コマドリが再び雛を抱く季節に帰る」という夫の言葉を、ひたすらに信じて…。ゴローが蝶々夫人に再婚を勧め、お金持ちのヤマドリ公爵を連れて来るが、蝶々夫人は無下に追い返してしまう。

　その頃、シャープレスの元にはピンカートンからの手紙が来ていた。その内容は、蝶々夫人に「慎重に心の準備をさせるように」というものであった。シャープレスは蝶々夫人のもとを訪ね、新しい生活を考えるよう説得を試みるが、蝶々夫人は芸者に戻るくらいなら死ぬと泣き崩れ、ピンカートンとの間に出来た青い目の子供を見せるのだった。

　シャープレスが去った後、突如大砲の音が聞こえ、港に一隻の船が入った。その名前がピンカートンの乗る船だとわかった蝶々夫人は、自分の愛が勝ったと歓喜し、スズキと部屋中に花を撒き、結婚した時の衣装に着替え、ピンカートンが丘を上って現れるのを待つのだった。

　ところが、ピンカートンが現れることはなく、夜は更け、そして明けていった。スズキは一晩中眠っていない蝶々夫人を気遣い、部屋に下がって休むよう促す。

　入れ替わりに、シャープレスに連れられて、ようやくピンカートンが現れた！しかし、その第一声はスズキへの「（蝶々を）起こさないでほしい」だった。驚くスズキの目に入ったのは、ピンカートンに続いて現れた、アメリカでの「本妻」ケイトの姿であった…。