במרכז העלילה עומדת נערה צעירה כבת חמש עשרה בשם צ'ו צ'ו סאן אותה מגלמת יסמין לוי- אלנטק, הנאלצת לעבוד כגיישה על מנת לפרנס את עצמה, וזאת לאחר התאבדותו של אביה. התחלה טראגית למדיי לסיפור חייה של נערה צעירה. עבודתה כגיישה מזמנת לצ'ו צ'ו סאן היכרות עם מלח בצי האמריקאי פינקרטון (אותה הוא מכנה "מאדאם באטרפליי"), ולו היא נישאת בטקס יפני מסורתי.


המסע אותו עוברת באטרפליי במהלך היכרותה עם פינקטון וכן התנצרותה מאוחר יותר למענו יוצרת חיכוך רב עם משפחתה, אשר מגנה אותה על התכחשותה לשורשיה היפניים. ליבה נקרע מכאב וחולף במהירות כאשר נמלא באהבתו של בחיר ליבה.

משנקרא פינקרטון להצבתו מחדש מעבר לים (ארה"ב) מבטיח הוא ל-צ'ו צ'ו סאן כי ישוב, אך למעשה אינו מתכוון כלל לשוב.  צ'ו-צ'ו סאן המאמינה אמונה עיוורת באהבתו, מחכה לו יחד עם בנה שנולד בינתיים מנישואים אלו, ואינה שועה לדברי הקרובים לה המנסים לשכנעה כי האמריקני נטש אותה.

לאחר שלוש שנים חוזר פינקרטון, בלוויית אשתו החדשה לה נישא בארצות הברית.  פינקרטון ששמע על קיומו של בנו, בא על מנת לקחת אותו.באחת נשבר חלומה של באטרפליי לנוכח המציאות, והיא מבקשת מפינקרטון ואשתו, להיפרד מבנה ביחידות בטרם יקחוהו ממנה. היא מבקשת כי יפגשו אותה מאוחר יותר ואז תמסור אותו לחזקתם.
באטרפליי נפרדת בסצנה קורעת לב מבנה, שמה בובה בידיו וקושרת מטפחת סביב עיניו. ומשלחת יד בנפשה.


הרגע הטראגי ביותר באופרה הוא עם כניסתו בסערה של פינקרטון לביתה של באטרפליי על מנת לבקש את סליחתה ולהביע את החרטה אשר על ליבו, אך מגלה כי אחר את המועד.

אינספור פעמים מדוברת האופרה בכללותה ו"מאדאם באטרפליי" כמופע טרגי ועוצמתי המעלה על הפרק את זכויותיהן של נשים, שיח מלא רבדים על אהבה ועוצמותיה וכן על כאב והשוני בין תרבויות בעולם.