Acte II
Pinkerton est reparti aux États-Unis, laissant sa femme seule avec Suzuki, qui s’inquiète pour l’avenir : depuis trois ans que Pinkerton est parti, l’argent commence à manquer, et Suzuki craint que Pinkerton ne revienne jamais… Mais Butterfly reste convaincue de la fidélité de son mari : « Un beau jour, nous verrons une fumée s’élever aux confins de la mer, et son navire apparaîtra… » (« Un bel di…« ). Arrive Sharpless, que Butterfly s’empresse de recevoir « à l’américaine ». Sharpless a reçu une lettre de Pinkerton et veut préparer Butterfly à une mauvaise nouvelle… Butterfly croit que le consul est venu lui annoncer le retour de son mari. Il n’en est rien : « Que feriez-vous, Madame Butterfly, si votre mari devait ne jamais revenir ?… » Il rappelle alors à Butterfly qu’au Japon, l’abandon équivaut à un divorce, et il lui conseille de répondre favorablement à la demande en mariage que lui a faite le riche prince Yamadori. « C’est vous qui osez me dire cela ? », s’exclame Butterfly horrifiée. Elle demande alors à Suzuki de reconduire Sharpless, puis se ravise : s’éclipsant un instant, elle revient, portant fièrement dans ses bras un garçonnet de trois ans : « Et lui? Pourra-t-il l’oublier aussi? » Quoi qu’il en soit, Butterfly déclare préférer mourir plutôt que de reprendre son ancien métier de geisha. Bouleversé, Sharpless quitte Butterfly en lui promettant de prévenir Pinkerton qu’il est le père d’un petit garçon. (« Ora a noi… Sai cos’ebbe cuore di pensar quel signore? / Che tua madre... »).
Soudain, un coup de canon retentit… On annonce l’arrivée dans le port de l’Abraham Lincoln, le navire de Pinkerton ! Radieuse, Butterfly se moque de tous ceux qui ne croyaient pas possible le retour de son mari. Elle demande à Suzuki de l’aider à décorer sa maison, revêt la robe qu’elle portait lors de son mariage, appelle son petit garçon: Butterfly, l’enfant et Suzuki s’agenouillent, les yeux rivés vers le port, et attendent le retour de Pinkerton. Le nuit tombe… (Chœur à bouche fermée).

Acte III
L’aube se lève, Pinkerton n’est pas revenu… Alors que Butterfly va coucher son enfant, Suzuki voit arriver le lieutenant américain accompagné d’une inconnue. Elle comprend aussitôt : « Pour la petite, le soleil s’est éteint… » Suzuki apprend alors que Pinkerton et Kate sont venus arracher son enfant à Butterfly, afin de l’emmener aux États-Unis. Après cet aveu, Pinkerton, rongé par le remords, préfère lâchement s’enfuir (« Addio, fiorito asil« ). Ayant entendu du bruit, Butterfly paraît. Devant le silence glacial de Suzuki, elle perd patience et force sa suivante à parler. Elle déclare accepter que Pinkerton prenne son fils, à condition qu’il vienne lui-même le chercher. Puis elle exige que Suzuki s’éloigne avec l’enfant et la laisse seule. 

Butterfly tire de son étui le poignard avec lequel son père s’est suicidé. L’étui porte cette inscription :  » Qu’il meure avec honneur, celui qui ne peut plus vivre que dans le déshonneur ». Pressentant l’imminence d’un drame, Suzuki ouvre la porte et jette l’enfant dans les bras de sa mère. Butterfly sert son enfant dans ses bras à l’étouffer, lui dit un adieu déchirant, et le renvoie jouer. Elle se poignarde et meurt au moment même où Pinkerton surgit dans la pièce…