Пришел чиновник и совершил обряд бракосочетания: «Сегодня сочетаются браком лейтенант морского флота Соединенных Штатов Америки Бенджамин Франклин Пинкертон и барышня Баттерфляй из района Омар города Нагасаки. Он — по собственному желанию, она — с согласия родственников». Он назвал их «супругом» и «супругой». Гости поздравили молодых.
Но на свадьбу пришел дядя Баттерфляй, бонза. Он узнал, что Чио-Чио-сан ходила к миссионеру и сменила религию. Он был в гневе, ударил Баттерфляй, бедная девушка упала. Он сказал, что если Чио-Чио-сан отреклась от их религии, то вся родня отрекается от нее. Все гости ушли.
Пинкертон помог подняться с земли плачущей Баттерфляй, всячески утешал ее. Он говорил ей комплименты, обещал счастливую жизнь и вечную любовь. Чио-Чио-сан растаяла от его комплиментов и успокоилась. Служанка Сузуки вошла в комнату и сообщила, что супружеский наряд Чио-Чио-сан уже готов, и уже можно идти переодеваться. Она помогла своей госпоже принять еще более соблазнительный вид. Пинкертон был в восхищении от ее красоты, подхватил ее на руки и внес в дом для ночных утех.
На следующее утро Пинкертон уплыл на военном корабле к себе в Америку.
Прошло три года.
Чио-Чио-сан по-прежнему жила в этом маленьком домике и покорно ждала возвращения мужа домой. Сузуки давно поняла, что Пинкертон никогда не вернется, и надо как-то убедить госпожу переменить свой образ жизни, чтобы она выкинула этого предателя из сердца и вышла замуж за кого-нибудь другого. Тем более что деньги заканчиваются — в маленьком кошельке с веревочкой остались только гроши, это последние деньги. Если Пинкертон не вернется, то всех их ждет нищета.
Чио-Чио-сан в ужасе от перспективы снова стать гейшей — петь и танцевать для других. Она ведь теперь замужняя женщина, к тому же она замужем за американцем, поэтому не должна позорить его неподобающим поведением. Сузуки не верит в возвращение Пинкертона: «Разве кто-нибудь слышал, чтобы мужья-иностранцы возвращались?»
Консул Шарплес получил письмо от Пинкертона, в котором сообщил, что уже три года женат на американке и просит объявить об этом Баттерфляй. Шарплес пришел к ней домой, но она не захотела его выслушать, она горевала, что так долго нет ее мужа, но уверяла, что будет ждать его вечно. Она показала консулу мальчика — сына ее и Пинкертона — голубоглазого и белокурого. Японцы ведь не бывают с такой светлой внешностью. Она свято верила, что когда Пинкертон узнает о существовании сына, то примчится к нему через моря и океаны. И тогда ей не придется ходить с ребенком на руках по улицам, петь и танцевать ради куска хлеба.
Шарплес ушел и обещал сообщить Пинкертону о сыне.
Вскоре Пинкертон приехал в Японию вместе со своей женой. Чио-Чио-сан узнала об этом, когда, услышав выстрел с корабля, она посмотрела в подзорную трубу и увидела в гавани тот корабль, на котором уплыл ее муж. Она в волнении украшала дом и вместе с сыном ожидала Пинкертона. Но Пинкертон так и не пришел в их дом в тот день. Баттерфляй прождала его у окна почти до самого утра. Сузуки уговорила ее уйти поспать, обещав разбудить ее, когда Пинкертон придет. Измученная Баттерфляй уснула.
В это время в ее дом пришли Шарплес и Пинкертон со своей американской женой. Шарплес с Пинкертоном специально пришли в этот ранний час, чтобы застать Сузуки одну и рассказать ей правду о женитьбе Пинкертона на американке.
Пинкертон был взволнован знакомой обстановкой, запахом цветов, потрясен тем, что Баттерфляй ждала его, хранила ему верность. Он понял, что она его по-настоящему любила все это время, а он ею просто играл. Он не решился, у него просто не хватило ни мужества, ни совести, встретиться с Баттерфляй и посмотреть ей в глаза. Он ушел, поручив Шарплесу все рассказать Баттерфляй — что он женат на другой.
Тем временем жена Пинкертона уговорила Сузуки отдать ей сына Чио-Чио-сан, чтобы они с Пинкертоном увезли его в Америку.
Проснувшаяся Баттерфляй по лицу американки и из слов консула поняла все. Какое горе для матери расстаться со своим ребенком, просто взять и отдать его на воспитание своему неверному мужу и его второй жене. Но Баттерфляй — японская женщина, и она покорилась желанию мужа: согласилась отдать ему сына.
Когда все ушли, она занавесила комнату и стала готовиться к смерти. Молодая женщина нежно прощалась с сыном: «Сыночек! Ты мой Бог! Иди ко мне, дай обнять тебя. Больше мы никогда не увидимся, но ты помни о том, что я твоя мама. Посмотри на меня — запомни каждую черточку моего лица и никогда не забывай! Я тебя очень люблю, мой малыш». Она дала ему игрушки и завязала глаза, а сама за ширмой нанесла себе удар кинжалом, тем самым, которым закололся ее отец.