	Младата японка се надява, че Пинкертон ще се върне, ако не за нея, то за него. Шарплес я попитва за името на малкия, а Бътерфлай отговаря: „Сега то се казва Скръб, но ако баща му се върне, ще се казва Щастие.“ Трогнат, Шарплес обещава скоро отново да я посети. Раздава се топовен изстрел. Развълнувана Бътерфлай взима далекогледа и поглежда към пристанището. Обхваща я силно вълнение. Това е корабът, на който служи Пинкертон. Тя повиква Сузуки и й нарежда да украси цялата къща с цветя. След това пробива три дупки в книжния прозорец: най-високата за нея, средната за прислужницата, а най-ниската за детето. Скоро Сузуки и малкият заспиват. Само „Бътерфлай“ остава будна да следи през прозореца и да чака връщането на мъжа си. Слънцето изгрява. Бътерфлай е чакала цяла нощ връщането на Пинкертон, но него го няма. Тя още стои неподвижна и гледа през дупката на книжния прозорец. Сузуки се събужда и помолва господарката си да си легне, като обещава, че ако Пинкертон дойде, тя веднага ще я събуди. Бътерфлай взима детето си и влиза в своята спалня. Скоро идват Пинкертон и Шарплес. Като ги вижда, развълнуваната Сузуки веднага тръгва към стаята на господарката си, но те я спират. Прислужницата започва да им разказва как Бътерфлай чакала цяла нощ на прозореца, как преди това обкичила с цветя къщата, но изведнъж вижда в двора непозната жена и млъква. Пинкертон смутено се обръща настрана. Шарплес тихо казва истината на Сузуки, това е жената на Пинкертон, която е толкова добра, че ще вземе със себе си детето. Разстроен, Пинкертон избягва. На вратата неочаквано се появява Бътерфлай. Тя се е досетила, че съпругът й се е върнал, и с радост иска да го види. Вместо него обаче вижда младата жена. Чо-Чо-Сан няма нужда от обяснения — разплаканите очи на Сузуки и женското й сърце разкриват истината. Кети Пинкертон я помолва да й даде детето, но Бътерфлай отговаря, че ще го повери само на баща му. Шарплес отвежда Кети Пинкертон, а Бътерфлай помолва Сузуки да я остави сама. Тя нежно се прощава с детето си и с кинжал в ръка влиза в стаята. Единствено, което сега й е останало, е да изпълни завета на своя баща — ако не можеш да живееш с чест, умри с чест. Бътерфлай се промушва с кинжала. Навън се чува гласът на Пинкертон. С последни сили нещастната жена се домъква до вратата, посочва му детето си и пада мъртва.