1막 새로운사랑...
미국 해군중위 핑커톤은 결혼 중매인 고로의 소개로 아름다운 일본아가씨, 나비부인을 만나 사랑하게 딘다. 그녀는 아버지가 죽어 기울어진 집안을 위해 게이샤가 된 15살 꽃다운 아가씨. 나비부인은 친척들의 비난을 무릎쓰고 개종까지 하며 새로운 삶의 희망에 부풀어 핑커톤과 결혼을 한다. 결혼이 시작될 무렵 승려인 숙부의 소동으로 친척들이 다 돌아간 뒤 저녁노을 속에서 핑커톤과 나비부인은 사랑의 2중창을 부른다. 밤은 조영하며, 그림자도 조용하다. 황혼은 다가오라라고 노래한다.

2막 기다림의 사랑...
핑커톤에게는 그녀와의 사랑이 일시적인 불장난에 불과하였고 이를 경고하는 영사의 충고를 무시하고 귀국하여 미국인 케이트와 다시 결혼한다. 3년이 지나도 돌아오지 않는 그를 손꼽아 기다리며 어떤 개인 날을 부른다. 절개를 지키던 나비부인은 드디어 핑커톤의 배가 입항한 사실을 알게 된다. 나비부인은 사랑의 승리라고 기뻐하며 밤새워 그의 방을 꽃으로 장식하며 그가 오기를 기다린다.

2막 2장 떠나보내는 사랑...
나비부인과의 만남을 피하던 핑커톤은 나비부인이 그의 아들을 낳았다는 말을 듣고 결국 케이트, 샤플레스와 함께 찾아온 후 꽃노래가 흐른다. 순수한 나비부인의 사랑을 알게 된 핑커톤은 이별을 고하는 아리아를 부르며 괴로워한다. 나비부인은 케이트가 아이를 키우고자 한다는 말을 전해듣고 모든것을 단념하고 아버지가 물려준 단도에 새겨진 ＂명예로운 삶을 못 살 때에는 명예로운 죽음을 택하겠다.＂ 는 문구를 읽으며 자결한다. 핑커톤은 나비부인을 외치며 죽어가는 나비부인 옆에 무릎을 꿇는다.