Atto I
Su una collina presso Nagasaki, Goro, un sensale di matrimonio, mostra al tenente della marina americana Pinkerton la casa da questi acquistata ("per 999 anni") per la sua convivenza con Cio-Cio-San, la giovane geisha che sposerà fra poco. Nozze combinate al prezzo di 100 yen e all'uso giapponese: e ciò pure per 999 anni, salvo possibilità di proscioglimento ogni mese. All'ufficiale, Goro presenta Suzuki, serva di Cio-Cio-San. Arriva Sharpless, console americano a Nagasaki, al quale Pinkerton confessa che egli ama godere i piaceri della vita senza preoccuparsi dei rischi e delle virtù altrui. Sharpless non condivide questi frivoli concetti e, pur brindando con l'amico, lo sconsiglia dal contrarre il matrimonio. In lontananza si odono le voci di Cio-Cio-San e delle sue compagne: la geisha che Pinkerton ha soprannominato "Butterfly" si presenta con un seguito di parenti e di amiche manifestando la sua felicità. Le nozze vengono celebrate da un commissario imperiale giapponese; i festeggiamenti, ad avvenuta cerimonia, sono però bruscamente interrotti dall'intervento di un vecchio zio bonzo il quale, rilevato che sposando un occidentale Cio-Cio-San ha rinnegato la religione degli avi, maledice la nipote. Il parentado sfolla impressionato dalle parole del bonzo che hanno fatto piangere la "piccola Butterfly". Ma Pinkerton, intenerito, la consola e con affettuose espressioni la invita a godersi il fascino della notte stellata che s'avvicina. Il toccante duetto d'amore conclude l'atto.
Atto II
Nella sua casa Butterfly ascolta le preghiere di Suzuki e, sempre fiduciosa nel ritorno di Pinkerton, lontano da tre anni, cerca di tranquillizzare la dubitante serva immaginando l'arrivo dell'amato ("Un bel dì vedremo..."). Alla presenza di Sharpless, Goro introduce il ricco principe Yamadori che da tempo la desidera in sposa. Ma lei rifiuta sdegnosamente e congeda il pretendente. Il Console è imbarazzato in quanto deve leggere a Cio-Cio-San una lettera nella quale Pinkerton annuncia le sue nuove nozze con una donna americana. La lettura della lettera viene spesso interrotta da Butterfly, sempre convinta del ritorno dello sposo. Sharpless, impietosito, non sa decidersi a dirle chiaramente la verità. Quando prova a farlo, lei gli mostra il figlioletto biondo avuto da Pinkerton, con il quale sarebbe costretta ad andare a mendicare per le strade se il marito non dovesse ritornare mai più. E al bimbo si rivolge con un tenero canto. Un colpo di cannone, l'annuncio dell'approdo di una nave, fa sussultare Butterfly che immediatamente guarda con un cannocchiale verso il mare: è la nave di Pinkerton! Cio-Cio-San adorna la casa di fiori e si prepara a vegliare, mentre inizia "l'interludio notturno".
Atto III
La notte è trascorsa in una vana attesa. L'alba sorge rosea. Suzuki convince Butterfly, affranta dalla stanchezza, ad andare a riposare con il bambino. Arriva Pinkerton, accompagnato dalla moglie Kate e da Sharpless, intenzionato a persuadere Cio-Cio-San ad affidargli il figlio. Ma quando apprende da Suzuki le sofferenze di Butterfly, il suo grande amore, la sua lunga fiduciosa attesa, manifesta il proprio rimorso ("Addio fiorito asil") e fugge. Cio-Cio-San rientra credendo di trovare lo sposo ma vede, invece, la donna americana e intuisce la verità. Comprende di essere stata abbandonata e che cosa si vuole da lei. Alla richiesta di Kate di affidare il bimbo alle sue cure, risponde che lo consegnerà al padre se verrà a prenderlo. Rimasta sola prende una spada, ne bacia la lama e si prepara al suicidio. Al figlioletto dedica un ultimo addio ("Tu piccolo Iddio"); quindi gli benda gli occhi e dietro un paravento si infligge il colpo mortale. Dall'esterno giunge l'angosciata voce di Pinkerton che chiama "Butterfly! Butterfly!". Quand'egli entra, con un ultimo gesto Cio-Cio-San gli indica il bambino e muore.
Un dramma orientale
Nell'estate del 1900 Puccini aveva assistito a Londra alla rappresentazione in un unico atto della Madama Butterfly dell'americano David Belasco, a sua volta ispirato al breve racconto omonimo di John Luther Long. Affascinato dalla triste vicenda umana della protagonista e dall'ambientazione esotica nell'estremo Oriente, in voga negli ambienti letterari e teatrali del XIX secolo, Puccini, già reduce dal trionfale successo della Tosca, iniziò la composizione della Butterfly nel 1901 e affidò la stesura del libretto a Luigi Illica e Giuseppe Giacosa
Il Giappone, terra di incanti e di misteri, e il fascino dell'Oriente cominciavano in questi anni ad influenzare la cultura europea, soprattutto nei salotti dell'alta borghesia e negli ambienti artistici. La cornice orientale e gli impulsi culturali esterni influenzarono radicalmente i gusti di Puccini, il quale compì un laborioso lavoro di ricerca e documentazione sulle musiche e strumenti giapponesi prima di accingersi alla composizione. Per la recitazione, Puccini seguì i preziosi consigli della famosa attrice teatrale Sada Jacco, mentre per le scene e l'ambientazione si fece guidare dalla moglie dell'allora ambasciatore giapponese in Italia.
Nel 1902 venne avviata l'orchestrazione del primo atto, ma nel febbraio del 1903 la composizione fu interrotta a causa di un incidente automobilistico che obbligò l'autore ad una lunga e dolorosa convalescenza. Solo dopo numerose pause e rifacimenti la Madama Butterfly venne completata, nella versione in due atti auspicata da Puccini, nel dicembre del 1903.
La prima rappresentazione avvenne il 17 febbraio 1904, con grande attesa di tutti, al Teatro alla Scala a Milano. Fu un totale insuccesso, definito dallo stesso Puccini "un vero linciaggio". La clamorosa caduta della Butterfly, portò all'interruzione immediata delle rappresentazioni e a una serie di tagli radicali e revisioni, che resero l'opera più proporzionata e alleggerita. Le maggiori modifiche vennero fatte sul primo atto mentre il secondo, eccessivamente lungo, venne suddiviso negli attuali secondo e terzo atto. Puccini riportò così la stesura all'originaria concezione dei tre atti ed è in tale versione che oggi l'opera si rappresenta.
A distanza di poco più di tre mesi, il 28 maggio 1904 la nuova Madama Butterfly venne rappresentata al Teatro Grande di Brescia, e questa volta fu un enorme successo. Sebbene molto vicina alla versione che si ascolta oggi sulle scene, l'opera subì ancora qualche modifica da parte di Puccini, il quale ritornò più volte sullo spartito a distanza di tempo. Si dice che ne esistano ben quattro diverse edizioni a stampa.