Madame Butterfly raconte l'histoire d'une jeune geisha de Nagasaki, Ciociosan, qui épouse un fougueux capitaine américain, Pinkerton, lequel sait très bien que ce mariage ne l'engage à rien car il n'est pas valable aux yeux de l'administration américaine.

 L'entremetteur Goro participe aux tractations pour le mariage. La jeune fille s'est convertie à la religion chrétienne de son mari et tombe réellement amoureuse de celui-ci.

 Quand, très vite, le capitaine la quitte pour retourner aux Etats-Unis, elle ne peut l'oublier, sa solitude et sa tristesse sont immenses et elle ne peut se résoudre à croire Sharpless, le consul américain, qui vient lui dire que Pikerton ne reviendra pas. La jeune fille était venue lui présenter l'enfant né de la courte union avec le capitaine.

 Mais le temps passe et celui qu'elle aime ne réapparaît pas. Trois ans plus tard, il arrive enfin, accompagné de sa véritable femme.