在古老的中国京城北京，美丽而冷酷的公主图兰朵（女高音）为自己的铁石心肠所陶醉。很多年前，她的一位女祖先被敌寇俘虏带到异邦在愁苦与屈辱中死去。至今，图兰朵觉得耳朵仍回荡着女祖先凄厉绝望的叫喊声。因此她对所有的男性充满了仇恨，恨不得把天下的男子斩尽杀绝替女祖先报仇。她想出一个妙计：凡是想娶她为妻的，必须回答她提出的三个谜语，谜底由三位大臣妥为保管，只要一个谜语答不出来，就得在月亮升起时杀头，并将头颅悬挂在城墙上，城墙上已悬挂着不少来自世界各国不怕死的年轻人的头颅，图兰朵的美貌名闻天下，有人宁愿一睹公主的芳容死而无憾。 鞑靼国老王帖木儿（男低音）被篡夺王位的叛臣所害，双目失明，逃亡在外，女婢柳儿（女高音）一直陪伴着他踯躅在北京城的街头。来了一队给波斯王子执行死刑打旗开道的御林军；图兰朵公主每次都要亲眼看着刽子手手持刀把那个不幸的求婚者的头斩下来。帖木儿被人群及马队碰撞倒地，女婢柳儿在绝望中大声呼救，一个小伙子从人群中冲出来扶起帖木儿，仔细一瞧，原来是自己的父王，这个年轻人是帖木儿离散的儿子卡拉夫王子。父子俩互诉离别之情，然后卡拉夫（男高音）问柳儿，为什么甘冒如此风险来照顾侍候老国王？柳儿说因为有一次在王宫中王子对她微笑。 这时同情波斯王子的人群纷纷向公主求情，卡拉夫则咒骂公主心肠狠毒。当图兰朵公主出现在人们面前时，众人被她惊人的美貌所震慑，顿时鸦雀无声；卡拉夫在公主光艳照耀下控制不住自己的理智，不顾老国王和柳儿的阻拦，冲到城墙前敲了三下铜锣，高叫图兰朵的名字，说自己要来应试。 皇宫花亭里，老皇阿尔图木（男高音）高坐在皇座上，见卡拉夫少年英俊劝他别将生命当儿戏，而卡拉夫坚决要用生命赢得爱情。凭着勇气与智慧，卡拉夫猜中了公主提出的三个谜语。这时公主反悔了，因为她最恨外国男子，她向老皇恳求千万别让她嫁给外国王子，老皇回答说他的许诺是神圣不可侵犯的，决不允许食言。卡拉夫不愿得到一个没有爱情的公主。因此他提出如果第二天太阳升起前公主能猜出他的名字，那两人之间的誓约互相抵消，甚至可以像没猜中谜语的男子们那样把他处死。这位无名王子来自何方，叫甚名谁？除了王子的老父王与柳儿，全北京城无人知晓。公主下命令，今晚全北京的人都不准睡觉，日出之前必须查出无名王子的名字。有人向御林军通报，曾见一个老汉与一个少女和无名王子讲过话。公主向少女逼供，柳儿仍一字不吐。公主问柳儿什么力量使你顶住酷刑？柳儿说“是爱”，然后夺过士兵手中短剑自刎而死，老国王悲愤地哭叫着柳儿的名字。 卡拉夫痛斥图兰朵的冷酷和残暴，抓住公主大胆吻了她的嘴唇，一瞬间，公主的凶狠、高傲及报复的念头都烟消云散，她投进卡拉夫的怀抱痛哭失声，卡拉夫向她说出自己的名字，天亮了，公主挽着卡拉夫王子向老皇帝介绍：“他的名字叫爱情”，舞台上所有人都歌颂着生活中的太阳——爱情。