ERSTER AKT
Ein Leutnant eines in Nagasaki ankernden amerikanischen Kriegsschiffs hat sich in die reizende Cho-cho-san verliebt, die in Goros Teehaus als Gelsha arbeitet. Um sie besitzen zu können, »heiratet« Leutnant Pinkerton sie, wobei er sich keinesfalls gebunden fühlt. Das Mädchen liebt den Offizier und ist ihm zuliebe zum Christentum übergetreten. Vergebens warnt Konsul Sharpless Pinkerton vor den Folgen.
Goro hat dem Brautpaar ein hübsches Häuschen auf einem Berg vermittelt; die Verwandten kommen zum Gratulieren. Die feierlichen Hochzeitszeremonien unterbricht Onkel Bonze, der die ihrem Glauben abtrünnige Cho-cho-san verflucht. Voller Schrecken entfernen sich die Verwandten. Butterfly, zuerst weinend und fassungslos, ist glücklich, ihrem Amerikaner angetraut worden zu sein.
ZWEITER AKT
Drei Jahre sind vergangen. Pinkerton hat Butterfly, die einen Sohn zur Welt gebracht hat, verlassen. Vergeblich wartet Cho-cho-san auf ein Lebenszeichen; auch Sharpless weiss nichts von ihm. Zu stolz, um von ihren Verwandten Unterstützung anzunehmen, lebt Butterfly in ärmlichen Verhältnissen und weist sogar den Fürsten Yamadori ab, der ihr seine Hand anbietet. Endlich erscheint Sharpless und versucht Butterfly klarzumachen, dass ihre Liebe hoffnungslos ist, doch die junge Frau glaubt daran, dass Pinkerton zurückkehren wird. Eines Tages legt das Kriegsschiff, auf dem Pinkerton dient, wieder in Nagasaki an. Jubelnd bereiten Butterfly und Suzuki alles zu seinem Empfang vor.
DRITTER AKT
Butterfly hat am Fenster den ganzen Tag und die Nacht vergeblich auf Pinkerton gewartet; sie ist dabei eingeschlafen. Am frühen Morgen wacht sie auf und geht in ihr Zimmer. Unterdessen kommt, von Pinkerton und einer Frau begleitet, der Konsul und klopft leise an die Tür. Suzuki öffnet und erfährt, dass Pinkerton eine Amerikanerin geheiratet hat. Pinkerton kann das Haus nicht betreten und Butterfly begrüssen. Jetzt reut ihn sein Verhalten; er läuft davon. Butterfly, die vergebens nach Suzuki gerufen hat, kommt an die Tür, sieht die Fremde und begreift sofort. Sie wünscht Kate, der sie ihr Kind anvertraut, Glück. Dann verabschiedet sie sich von dem Konsul, Suzuki und ihrem Kind, das sie zum Spielen in den Garten schickt. Sie begeht, weil sie nicht mehr in Ehren leben zu können glaubt, Harakiri. Im Fallen hört sie, wie Pinkerton ihren Namen ruft, schleppt sich zur Tür und stirbt.
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