第三幕：旭日初升，蝴蝶仍旧耐心等待。因担心蝴蝶的身体，铃木劝蝴蝶与她儿子进房休息，由她为蝴蝶等待，而当蝴蝶在房间熟睡时，平克顿跟他在美国的合法妻子─凯特，与夏普莱斯终于来到，并向铃木要求带走蝴蝶的儿子。怯懦的平克顿无地自容，速速离开，留下这烂摊子与不幸的凯特。夏普莱斯恳求铃木协助调停。
 蝴蝶出现，准备见平克顿但却找不到他。蝴蝶此时已猜测到该事情的真相，并愿意交出其儿子。夏普莱斯及凯特离去后，蝴蝶吩咐铃木把蝴蝶的儿子带入房间。其后，蝴蝶便在玩捉迷藏时，用黑布蒙着儿子的双眼，并独自走到屏风后，以死作为对平克顿的控诉——往自己的咽喉刺去自尽身亡……
 当平克顿回到三年前的故居时，他只有看到已经断气的日本妻子以及他在日本生的儿子了……