Początek XX wieku. W porcie w Nagasaki cumuje okręt marynarki Stanów Zjednoczonych „Abraham Lincoln”. Młody porucznik Benjamin Franklin Pinkerton szuka rozrywki. Stręczyciel Goro pokazuje mu jego nowy dom, a w nim przyszłą małżonkę piętnastoletnią gejszę Cio-Cio-San (jap. Chōchō-san, pani Motyl) i jej służącą Suzuki. Pinkerton poznaje amerykańskiego konsula Sharplessa, który twierdzi, że dziewczyna jest w nim naprawdę zakochana, podczas gdy Pinkerton związek z Japonką traktuje nie do końca poważnie.
Młoda narzeczona, przygotowując się do ślubu z Amerykaninem, przyjmuje potajemnie chrzest. Jej wuj Bonzo, który odkrył tę zdradę japońskiej tradycji, przybywa na miejsce ceremonii i oskarża bratanicę o wiarołomstwo. Burzy to przebieg ceremonii, a zaproszeni goście opuszczają nowożeńców. Młodzi mimo to razem spędzają noc poślubną.
Akt II Gdy Pinkerton wypływa z powrotem do Ameryki, obiecuje swej japońskiej żonie, że wróci, gdy rudziki uwiją nowe gniazda. Po trzech latach od wypłynięcia Suzuki zaczyna zastanawiać się, czy Pinkerton kiedykolwiek wróci, na co Cio-Cio-San reaguje