L’action se déroule au Japon, dans la baie de Nagasaki, vers 1900. L’officier américain Pinkerton découvre sa future épouse Cio-Cio San – dite Madame Butterfly – geisha de quinze ans dont la famille réprouve le mariage. Sharpless, le consul des Etats-Unis, déconseille cette union à Pinkerton. Toutefois, le soir de leurs noces, Pinkerton embrase le cœur de la jeune fille, qui répond à son amour avec timidité avant de se donner ardemment à lui. Trois années passent.Rentré aux Etats-Unis, Pinkerton n’a donné aucune nouvelle à Butterfly, qui ne cesse d’attendre son retour, persuadée que l’officier viendra la retrouver… et découvrir l’enfant qu’elle a eu de lui. Sharpless, qui sait que Pinkerton a refait sa vie dans son pays et s’est marié, demande à Butterfly ce qu’elle ferait s’il ne revenait jamais. Elle se tuerait, répond la geisha. C’est le geste fatal qu’elle commettra en découvrant la vérité, lors du retour tardif mais tellement attendu de Pinkerton, venu chercher son enfant en compagnie de son épouse américaine.