Antecedentes: Nagasaki, Japón, a finales del siglo XIX. Cio-Cio-San, cuyo nombre de geisha es Madame Butterfly, es una joven frágil e ingenua, de una buena familia venida a menos tras el trágico suicidio del padre. Mediante el casamentero Goro, Butterfly se ha casado con un oficial de la marina estadounidense, Pinkerton, al que ama con locura. Sin embargo, para él nuestra joven no es más que un puro entretenimiento hasta que vuelva a EEUU, y tal como le dice al Cónsul americano en Nagasaki, pueda casarse "de verdad con una verdadera esposa americana". Cio-Cio-San renuncia a su religión y sus tradiciones por amor a Pinkerton, hasta el punto de que es repudiada por su tío, y abandonada por sus amigos, familiares y conocidos.
Cuando comienza el segundo acto, han pasado ya tres años desde la partida del barco de Pinkerton y Butterfly vive sola en su casa, esperando día tras día la vuelta de su amado, y acompañada solo por Suzuki, la fiel criada. Vamos a detenernos en este punto de la historia. La pequeña mariposa esta absolutamente convencida del retorno de Pinkerton, y obliga a Suzuki, que sufre por su ama y no deja de sollozar, a repetir una vez tras otra '¡Volverá!'. Y para demostrarle que realmente volverá, le cuenta como será ese regreso.
Un bel dì, vedremo levarsi un fil di fumo dall'estremo confin del mare. E poi la nave appare. Poi la nave bianca entra nel porto, romba il suo saluto. Vedi? È venuto!Butterfly mira hacia la pared del fondo como si pudiera ver el mar y el puerto a los pies de la colina donde vive. Con sus palabras pinta una escena que tantas y tantas veces ha visto en su mente. Cuerda, flautas y arpa acompañan la vívida descripción y van en crescendo tal como Cio-Cio-San deja atrás la angustiosa espera y se sumerge de lleno en su fantasía.
(Un hermoso día veremos alzarse un hilo de humo en el horizonte. Y entonces aparecerá la nave. Luego, esa nave blanca entrará en el puerto, atronando con su saludo. ¿Lo ves? ¡Ya ha llegado!)
Io non gli scendo incontro. Io no. Mi metto là sul ciglio del colle e aspetto, e aspetto gran tempo e non mi pesa, la lunga attesa. E uscito dalla folla cittadina un uomo, un picciol punto s'avvia per la collina.La emoción la embarga al pensar que él ya está en el puerto, y la orquesta disminuye hasta dejar solo a los vientos acompañando el susurro de Butterfly que coqueta reprime sus deseos de bajar corriendo a buscarlo y espera, como lleva tanto tiempo haciendo, a la entrada de su casa. En el momento en el que él atraviesa la muchedumbre y sube por el camino la orquesta se une de nuevo al unísono, y los metales con unas suaves notas anuncian su llegada.
(Yo no bajo a encontrarme con él. Me pongo allí, en lo alto de la colina, y espero, espero largo tiempo y no me pesa la larga espera. Y saliendo de entre la multitud un hombre, un punto pequeño se destaca por la colina.)
Chi sarà? chi sarà?E come sarà giunto che dirà? che dirà? Chiamerà Butterfly dalla lontana. Io senza dar risposta me ne starò nascosta un po' per celia... e un po' per non morire al primo incontro, ed egli alquanto in pena chiamerà, chiamerà: piccina mogliettina olezzo di verbena, i nomi che mi dava al suo venire.En su fantasía le parece oír como él la llama, y cuando pronuncia Butterfly un dulce solo de violín responde sobre arpa y las cuerdas, que van callando hasta que el clarinete la deja sola con su imaginado encuentro. La melodía de la orquesta tierna y triste como la misma Butterfly parece esperar con el corazón encogido, y previendo un trágico desenlace, entra con un súbito fortissimo cuando Cio-Cio-San pronuncia la palabra morire, trágico augurio del destino de la infeliz. Pero no dura mucho el fatal vaticinio, y cuando recuerda los nombres que él le llamaba, el fortissimo cae preso de una infinita tristeza.
(¿Quién será? Y cuando llegue, ¿qué dirá? ¿qué dirá? Llamará a Butterfly desde lejos. Y yo, sin dar respuesta, estaré allí escondida, un poco para inquietarlo, y un poco para no morir al primer encuentro, y él, con alguna inquietud, llamará, llamará:"Pequeña mujercita, olor de verbena", los nombres que me daba cuando volvía a casa.)
Tutto questo avverrà, te lo prometto. Tienti la tua paura, io con sicura fede l'aspetto.
(Todo esto ocurrirá, te lo aseguro. Guárdate tu miedo, yo con firmeza le espero.)
Con una fuerza que no esperaríamos en alguien tan frágil como ella, Butterfly lanza las últimas frases y se afianza en su ilusión, una ilusión que todos excepto ella saben vana. Suzuki no puede evitar echarse a llorar. La orquesta corre arrastrada por la arrebatada actitud de Butterfly hasta un gran final que poco a poco desaparece, como dejando sola a nuestra protagonista con su dolor.
Epílogo: Butterfly esta convencida de que Pinkerton volverá, por una simple razón: debe conocer a su hijo, nacido al poco de su partida, y rubio y de ojos azules como él. Y efectivamente, Pinkerton vuelve, pero lo hace con su mujer americana y solo para llevarse al niño con ellos. Cio-Cio-San destrozada decide suicidarse como hiciera su padre y cuando esta a punto de hacerse el harakiri, entra su hijo en la habitación, y ella, rota por dentro sonríe y le dice al hijo que salga a jugar fuera con su padre y su nueva mamá, y que debe irse con ellos a EEUU. Cuando el niño sale, abandonada y sin ninguna razón para seguir viviendo, se mata. Telón.