מערכה ראשונה
השדכן היפני גורו מראה לסגן הצי האמריקני בנג'מין פרנקלין פינקרטון את הבית החדש אותו קנה זה עתה. גורו מציג בפני פינקרטון את המשרתים המהווים חלק מעסקת החבילה אותה רכש פינקרטון, הכוללת מעל לכל כלה צעירה ויפה, צ'ו-צ'ו-סן (גברת פרפר) שמה. פינקרטון וגורו מצפים לבואה של צ'ו-צ'ו-סן (בטרפליי) לטקס הכלולות אך לפניה מגיע הקונסול האמריקני, שרפלס, מתנשם מהעלייה התלולה אל הבית הממוקם על גבעה גבוהה ומשקיף לעבר המפרץ. שרפלס ופינקרטון לוגמים משקה חריף ופינקרטון מסביר כי חתם על חוזה יפני אופייני המעניק לו את הבית ואת אשתו לתשע מאות תשעים ותשע שנה, עם האפשרות לבטל את החוזה מתי שרק יחפוץ בכך. פינקרטון גם מספר כי כמו כל גבר אמריקני גם הוא נודד מנמל לנמל ובכל תחנה מטיל את עוגנו. עתה, בנגסקי, הוא ישא לאשה את בטרפליי. שרפלס דוחה את גישתו הקלילה למדי של פינקרטון. הוא שמע את בטרפליי כאשר הגיעה לקונסוליה והוא מודע לכך כי היא אוהבת את פינקרטון בכל מאודה. פינקרטון אומר כי אכן בטרפליי מושכת אותו אבל הוא מעדיף להרים כוסית לרגל היום בו יינשא "על אמת", לאשה אמריקנית.
בטרפליי מגיעה עם חברותיה ומשוחחת עם בעלה לעתיד והקונסול. היא מגלה כי היא בת חמש-עשרה, ולמרות העובדה שמשפחתה היתה אמידה, היא נאלצה לעבוד כגיישה כאשר המזל לא האיר להם פנים. לשאלה ביחס לאביה משיבה בטרפליי בקצרה כי הוא מת, בעוד גורו רומז לשרפלס לא לחקור בעניין. קרוביה של בטרפליי וביניהם אמה הקשישה וחבריו של פינקרטון, קציני
הצי האמריקני, מגיעים ביחד עם הנציב הקיסרי ורשם הנישואין.
בטרפליי מראה לפינקרטון את החפצים האישיים המועטים שהביאה עמה לביתם החדש ובהם חפץ אחד סודי אותו היא מסרבת לגלות. גורו מסביר כי זה סכין שהקיסר שלח לאביה עם הוראה מפורשת להרוג עצמו, והאב ציית. בטרפליי מגלה בשקט לבעלה לעתיד כי בבוקר ביקרה במיסיון והמירה את דת אבותיה בדתו שלו בכדי ששניהם יוכלו להתפלל לאותו אל. טקס הנישואין הקצר מסתיים במהרה ושרפלס עוזב את המקום תוך שהוא מתרה בפינקרטון לנהוג בתבונה. שלוות מסיבת הכלולות מופרת כאשר אל הבית פורץ הבונזו, דודה של בטרפליי שהוא גם כהן דת, המגנה אותה על כי המירה את דתה ומנדה אותה ממשפחתה. קרוביה של בטרפליי עוזבים והיא נותרת המומה ובוכייה. פינקרטון מרגיע את רעייתו ועם רדת הליל בטרפליי מחליפה את שמלת הכלולות לכותונת והם שרים דואט אהבה מלא תשוקה סוערת.
מערכה שנייה
תמונה ראשונה
שלוש שנים חלפו מאז פינקרטון עזב את נגסקי, ורק סוזוקי, המשרתת וחברתה הקרובה והנאמנה של בטרפליי, נותרה עמה. הן חיות בעוני רב, אך בטרפליי מלאת בטחון כי בעלה ישוב, שכן אם לא היה מתכונן לשוב הרי לא היה דואג להסדר עם הקונסול לפיו ישלם בקביעות את שכר הבית. באריה הגדולה שלה שרה בטרפליי כי יום יפה אחד ישוב אליה בעלה. גורו מביא את שרפלס לביתה של בטרפליי. היא מברכת אותו בחום ושמחה לשמוע כי הביא לה מכתב מבעלה. בטרפליי שואלת את הקונסול מתי מקוננים אדומי-החזה באמריקה. בעלה, היא מסבירה, הבטיח כי ישוב כאשר אדום-החזה ישוב לקונן. ביפן הם כבר עשו זאת שלוש פעמים אך אולי באמריקה הרגליהם שונים במקצת. שרפלס אינו מסוגל, כמובן, לענות לה בעוד גורו פורץ בצחוק עז. גורו מודיע כי הנסיך העשיר ימדורי מוכן לשאת את בטרפליי לאשה אך היא מסרבת. ימדורי עצמו מופיע אולם בטרפליי דוחה אותו וטוענת כי למרות שלפי החוק היפני היא אשה חופשייה, הרי שלפי החוק האמריקני היא עדיין אשתו של פינקרטון. ימדורי עוזב ושרפלס מנסה להקריא לבטרפליי את מכתבו של פינקרטון, אך היא נכנסת לדבריו ללא הפסק ואינה מאפשרת לו לסיים ולו גם משפט אחד. היא משוכנעת כי המכתב מודיע על שובו של בעלה אליה. כאשר שרפלס שואל מה תעשה אם פינקרטון לא ישוב ומציע לה למעשה להינשא לימדורי, היא נעלבת, מבקשת לגרש את שרפלס מביתה ועוזבת את החדר ושבה עם ההוכחה שבעלה אכן ישוב - בנה בן השלוש. פינקרטון עוד לא יודע על קיומו של הילד, אבל שרפלס מבטיח לספר לו. מה שמו של הילד, שואל הקונסול ובטרפליי עונה, שמו "צער" (Dolore) אך כשאביו ישוב שמו ישתנה ל"שמחה". בטרפליי תופסת את גורו המציץ לביתה ומכריז כי באמריקה ילדה יחשב לממזר. היא מאיימת להכותו כאשר תותח הנמל מכריז על בואה של אנייה. בטרפליי וסוזוקי ממהרות להביט לעבר הנמל, כפי שעשו בשלוש השנים האחרונות בכל פעם שאנייה הגיעה לנמל. הפעם הן רואות אנייה לבנה, אמריקנית, אנייתו של פינקרטון. בטרפליי חשה כי צדקה לכל אורך הדרך, וכי בעלה אכן שב אליה והיא מורה לסוזוקי לקשט את הבית בפרחים. בטרפליי לובשת את שמלת כלולותיה וכאשר יורד הליל היא, בנה וסוזוקי מביטים לעבר השביל בציפייה לבואו של פינקרטון.
תמונה שנייה
עם עלות השחר בטרפליי עדיין ממתינה בעוד סוזוקי והילד נרדמו. קרני השמש מעירות את סוזוקי השולחת את גבירתה לנוח מעט. פינקרטון ושרפלס מגיעים אך מבקשים מסוזוקי הנרגשת לא להעיר את בטרפליי. היא מבחינה בעוד אשה בגן וכאשר היא לומדת כי זו קייט, אשתו האמריקנית של פינקרטון, מבינה סוזוקי כי חייה של בטרפליי אבודים, אך היא מבטיחה לבקש מבטרפליי כי תמסור את בנה לפינקרטון ואשתו. פינקרטון שר מעין אריה של חרטה ועוזב במהרה. בטרפליי מתעוררת ונכנסת בחפשה אחר בעלה, אך אינה רואה אותו. לעומת זאת, היא מבחינה בקייט ומבינה מיד את האמת מרה. בטרפליי אף מסכימה למסור את בנה לפינקרטון אם יגיע לקחתו בעצמו. היא משלחת את סוזוקי והילד מעליה, לוקחת את הסכין בו התאבד אביה וקוראת את הכתובת החרוטה עליו: "עדיף למות בכבוד מאשר לחיות ללא כבוד." כאשר היא עומדת להרוג עצמה סוזוקי מביאה לה את ילדה. באריה נוגה נפרדת בטרפליי מבנה ונועצת את הסכין בליבה כאשר פינקרטון ושרפלס נכנסים בריצה אל הבית.
