מערכה ראשונה
לפני חומותיו של הארמון הקיסרי בבייג'ין מכריז המנדרין כי הנסיכה טורנדוט תינשא רק למחזר בעל דם כחול אשר יפתור את כל שלוש החידות שתציג בפניו. המועמדים שלא יצליחו לענות נכונה, נידונים לעריפת ראשם. הנסיך מפרס נכשל זה עתה בניסיונו לפתור את החידות, ותוך זמן קצר יובל אל הגרדום, שם ימצא את מותו. ההמון מצפה בשקיקה להוצאה להורג, בעוד אחדים קוראים לנסיכה להפסיק את שפיכות הדמים האכזרית. במהלך הטקס נופל ישיש על האדמה. איש צעיר ממנו ממהר לעזור לו ומגלה כי הישיש הוא אביו שאותו חשב למת. שמחת האיחוד בין האב לבנו מופרעת כאשר כלאף, הצעיר, מספר לאביו, טימור, מלכם הגולה של הטטרים, שהם נרדפים בידי אויבים. טימור הצליח להימלט מפני האויב בסיועה של ליו, אמתו הנאמנה. כשהנסיך הפרסי מובל אל הגרדום מבכה ההמון את יופיו ואת נעוריו. טורנדוט מופיעה לרגע קט ומסמנת כי אפשר להמשיך בהוצאה להורג. כלאף, המבחין בדמותה להרף עין, המום. הוא חייב לפתור את שלוש החידות ולשאת את הנסיכה לאישה. טימור מפציר בבנו לנוס על נפשו ולהציל את חייו, וגם שלושת השרים הקיסריים, פינג, פאנג ופונג, מדברים על ליבו של האלמוני לשקול שוב את החלטתו. אפילו ליו, שבמשך שנים רבות אהבה את כלאף בחשאי, מבקשת ממנו לעזוב, אך הוא מנחם אותה ואומר שדבר לא יניא אותו מהחלטתו. כלאף נחוש בדעתו. הוא מתקרב אל שערי הארמון, מכה בגונג שלוש פעמים וקורא שלוש פעמים בשמה של טורנדוט, כשהוא מקבל עליו את האתגר שרבים לפניו לא הצליחו לעמוד בו ושילמו עליו בחייהם.
מערכה שנייה
פינג, פאנג ופונג, שלושת השרים המזכירים דמויות מן הקומדיה דל-ארטה, דנים בטקס הקבורה או במצעד הניצחון של הנסיך האלמוני. הם מבכים את שפיכות הדמים הנמשכת של טורנדוט ועורגים אל הימים הטובים והשלווים שידעו בעבר, מקווים כי יוכלו אי פעם עוד ליהנות ממנעמי הטבע. הם חולמים בהקיץ על השלווה שאולי תשרור ביום מן הימים, כאשר יימצא מחזר שיכבוש את ליבה של הנסיכה. אך עד מהרה הם נאלצים לחזור למציאות ולבוא אל הארמון המלכותי כדי להיות נוכחים, שוב, בטקס נוסף של חידות.
רבים נאספו בארמון, שם מפציר הקיסר הזקן אלטום בכלאף פעם נוספת לפרוש ולהציל את חייו. אך איש אינו יכול לשנות את החלטתו של כלאף, אף לא טורנדוט עצמה, המופיעה ומסבירה באריה שלה מדוע היא כה אכזרית אל מחזריה. לפני שנים רבות, היא מספרת, חילל מלך זר את כבודה של אחת מאימות אימותיה, וטורנדוט נשבעה לנקום את המעשה הנורא. כלאף מוכן, ומספק את התשובה לחידה הראשונה בקלות. זו התקווה הנולדת כל לילה מחדש, הוא אומר. החידה השנייה קשה יותר, אך כלאף שוב מוצא את הפתרון הנכון: דם ניצת כמו להבה. טורנדוט נסערת קמעה. נדמה כי שאלתה השלישית תכריע את הנסיך: "איזה קרח מפיק אש?" היא שואלת, ובסופו של דבר כלאף מנצח. התשובה, כמובן, היא טורנדוט עצמה. העם מריע לנסיך המנצח, אך טורנדוט מתחננת בפני אביה - היא אינה רוצה להינשא לנסיך. אלטום אינו יכול לסייע בידה, אך לכלאף עצמו יש הצעה: הוא יחוד לנסיכה חידה אחת. אם תוכל לנחש את שמו עד שיפציע השחר - יהיה מוכן למות. טורנדוט נענית לאתגר.
מערכה שלישית
טורנדוט שולחת שליחים אל רחבי העיר בניסיון לגלות את שמו של הנסיך. איש לא ינום הלילה, אומר הצו, עד אשר יתגלה השם. בגן הארמון מצפה כלאף לבוא הבוקר. שלושת המנדרינים מבקשים ממנו לברוח משם ומציעים לו כסף ונשים אחרות. אך כלאף עיקש. הוא אינו מוכן לוותר על טורנדוט. שומרים גוררים פנימה בעינויים את טימור ואת ליו. השניים נראו מדברים עם הנסיך ומתעוררת התקווה כי יוכלו להסגיר את השם שכל בייג'ין מייחלת לדעת. טורנדוט מצווה עליהם לדבר, אך ליו, על מנת להציל את חיי אדונה, משיבה כי היא יודעת מה השם אך לעולם לא תגלהו, בשל אהבתה לכלאף. היא חוטפת פגיון מידיו של אחד השומרים, נועצת אותו בליבה ומתה. כלאף וטורנדוט נותרים בגפם על הבמה. הוא אוחז בה ונושק לה בתשוקה - נשיקה הממיסה את ליבה של נסיכת הקרח. היא מתוודה כי מלכתחילה יראה מפניו של הנסיך האלמוני ואהבה אותו. היא מקווה כי כלאף יהיה מאושר ביודעו כי היא רוחשת לו אהבה ומבקשת ממנו לעזוב. אך כלאף פשוט מגלה את זהותו האמיתית לטורנדוט, ונותן את חייו בידיה. היא מתעשתת, ממהרת לזמן את הקיסר ואת בני עמה, ומכריזה כי גילתה את שמו של הזר: השם הוא אהבה. סוף טוב הכל טוב.
