第三幕，第一景：宫中花园，晚上。在远处，宫廷中的传令官宣读图兰朵公主的命令：今晚北京城内所有人都不能入睡，如果在天亮前仍然不知道王子的名字，那么全城的人都要被处死。王子非常高兴地等候着黎明到来，他期望着胜利，唱起〈今夜无人入睡〉：“今夜无人入睡!今夜无人入睡!即使是你，啊，公主”。三位大臣又向王子传令，他们说只要王子能放弃娶图兰朵公主，就可以立即享受荣华富贵的生活。王子仍然拒绝了。一群士兵拖出王子的父亲帖木儿和女仆柳儿。企图从他们的口中得知王子的名字，因为有人看见他们和王子说话。图兰朵公主进来命令帖木儿和柳儿说出王子的名字。王子假装说他们不会知道。柳儿却宣称只有她才知道王子的名字，但是她不会透露的。大臣平用尽各种方法想从柳儿口中得知王子的名字，她坚持不说，于是受到拷打。柳儿始终守口如瓶不肯透露，她的行为打动了图兰朵公主，图兰朵公主就问柳儿“什么力量驱使你如此坚强?”柳儿回答说“是爱，公主。”图兰朵公主再次命令大臣平逼供出王子名字，大臣平便加重刑罚。柳儿没有被征服反而对图兰朵公主说：“层层冰霜将你围住，一定有火来熔化，你早晚也会爱上他的!”说完后，柳儿从一个士兵的腰带拔出短剑，向自己猛刺，当她迈步走向王子跟前的时候，众人喊着要她说出王子的名字，可她却倒地而死了。由于帖木儿眼睛瞎了，起初不知道柳儿已死，经过旁人告诉他，他知道后在极度的痛苦中大哭起来。帖木儿警告说这种罪行会触怒上天。众人听后带着羞耻和害怕的心情安静下来。柳儿的尸体被抬走，悲痛的帖木儿和众人跟在后面走。当所有人都离开之后，剩下王子和图兰朵。王子责备图兰朵公主的残酷后把她抱在怀里并且强迫吻了她。王子决定以真挚的爱情去打动图兰朵公主冷酷无情的心，他的一个吻点燃了公主心中的爱情之火，她希望王子带着这个神秘的爱离开，再不要提出什么问题，但是王子最终却把自己的真名“卡拉富”告诉了公主，他的命运已掌握在公主的手中，可以随时被处死。