Poco dopo l'Ufficiale ritorna in America e non manda più sue notizie per tre anni.
Butterfly però continua ad aspettarlo "con sicura fede" rifiutando le proposte dei pretendenti: crede di essere sposata a Pinkerton e trascorre la vita quasi in miseria con il figlio avuto dall'Americano e la fedele Suzuki. Per toglierle ogni illusione, il Console Sharpless si reca da Butterfly per leggerle la lettera ricevuta da Pinkerton in cui egli annuncia il suo ritorno con la moglie americana Kate. La lettura però è continuamente interrotta da Cio-cio-san che, ingenuamente, crede che il marito torni da lei. All'improvviso un colpo di cannone annuncia l'arrivo di una nave da guerra nel porto. È la nave di Pinkerton.
Purtroppo le cose si rivelano presto ben diverse da come Butterfly sperava: Pinkerton e la moglie sono tornati per portare il bambino via con loro. Cio-cio-san, sconvolta dalla verità, si suicida "all'uso giapponese" mentre Pinkerton è assalito dai rimorsi.

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