不一会儿，花园里只剩下光秃秃的枝子了，而房间里的地上，榻榻米上，铺上了一层花瓣。巧巧桑急急地在镜子前坐下来，让铃木帮她化妆。她多么希望丈夫仍然像过去那样爱她，叫她“我亲爱的小蝴蝶”。她让铃木把新婚时的衣服取来，整整齐齐地穿在身上，又在发际插上了鲜艳的花朵。把孩子也打扮得漂漂亮亮的，一切都准备停当了。
天色渐渐黑了。巧巧桑在面朝大海的那扇纸门上用手指捅了三个洞。一个为自己，一个给铃木，还有一个低低的，是给孩子的。她们一起静静地向外张望，等待着那激动人心的时刻。月亮照进来，把三个伫立的人影映在纸门上。不远处的大海传来阵阵涛声。女仆铃木和孩子禁不住困倦，倒在榻榻米上睡着了。巧巧桑一动不动地站在那儿，仿佛是一座雕像。
第三幕仍然是蝴蝶夫人家中
女仆和孩子睡着，巧巧桑伫立在门前。可是夜已过去，黎明到来了。海湾里除了传来阵阵涛声以外，还可以隐约听到水手们的歌声。太阳升起，照亮了屋子里满地的花瓣。女仆醒了，她站起身来，轻轻碰了碰巧巧桑：“你等得太疲乏了，去睡一会儿吧。如果他来了，我会叫你的。”巧巧桑确实累极了。她弯下身子，抱起沉睡的孩子，一边唱着摇篮曲，一边向里间屋走去。“睡吧，小宝贝，你将要到那遥远的地方。”渐渐地，听不到她的声音了。铃木跪在神像前开始祈祷。
有人敲门。铃木侧耳倾听。敲门声更响了。她连忙站起身来，拉开门。走在前面的领事先生就打了个手势让她别出声。平克尔顿跟着走了进来，他们轻手轻脚地，仿佛有什么秘密，铃木告诉他们，巧巧桑等了一夜，现在刚刚睡着。平克顿惊奇地问道：“她怎么知道我会来?”铃木回答说：这里已经三年没有来过一只船。蝴蝶夫人天天都在等你回来。瞧，这满地的花朵，我们昨天就已经准备好。”她高兴地想立刻进屋去叫巧巧桑，可是平克顿拦住了她。铃木偶一回头，发现门外的花园里，还有一个外国妇女。“她是谁?”平克顿迟疑着没说出来，领事回答说：“平克尔顿的妻子。”铃木一下子呆住了：“天啊，完了!所有的希望都完了！”她扑倒在地上哭泣起来。平克顿很不自在，他感到自己没脸见巧巧桑，恨不得马上逃离这间屋子。领事先生也十分生气，他责备平克尔顿伤害了巧巧桑的感情。但为了妥善处理这件不幸的事，领事决定由他来面对可怜的巧巧桑，他劝平克尔顿赶紧离开。
平克尔顿环顾这间曾经令他度过愉快时光的屋子，望着满地的花瓣，他内心受到了深深的谴责：“再见吧，安静的家，再见吧，曾经度过的时光。我忘不了那双忧郁的眼睛，她将永远出现在我的面前。多么羞耻，多么痛心，滚滚的热泪流不尽。再见吧，我此刻只有逃走！平克顿匆匆走了。他的妻子却走过来对铃木说，他们想把孩子带走，并保证说将会好好待他。铃木悲伤地叹息道：巧巧桑是那样地爱她的孩子，让他们分离，实在是太残忍。
这时，屋子里传来巧巧桑的声音：“铃木!铃木!你快来一下！”铃木吓坏了，她赶紧走过去，试图阻止巧巧桑走出来，可是，来不及了，只见巧巧桑满脸激动的神情，在四处张望，可是，她看见的是领事先生，和躲在花园里的外国太太。好像明白了什么；铃木和领事急步走上前来，想扶住她，可巧巧桑推开他们，紧张地问道：想干什么?带走我的孩子?”领事先生劝道：“就让他带走吧，免得孩子受苦，”巧巧桑的眼神变得十分可怕，但是她的口气却是冷静的：“和孩子分开!……好吧，我会尽我的义务的。”听到这话，平克尔顿的妻子走过来，小心翼翼地问她：“你能原谅我吗?蝴蝶夫人?你愿意把孩子交给我?”
巧巧桑笔直地站着，看着她，一字一顿地答道：“我遵从他父亲的意志，一定亲自交给他。请再等一会儿，我会准备好一切。”领事和平克尔顿太太退出去了。巧巧桑再也坚持不住了，她倒在地上，绝望地哭泣，铃木想安慰她，可是她自己也流着泪，说不出话来。
巧巧桑抬起头来，请铃木把窗子都关上，她不愿意看见明媚的阳光。屋子里黑下来了，她
吩咐铃木：“你去看看孩子，到他那里去。”铃木哭着不肯走，巧巧桑不由分说地推走了她，关上了屋门。
她擦去脸上的泪水，镇静地走到日本神像前，跪下来，低头祷告。过了好一会儿，她站起身来，从衣橱里取出一条长长的白围巾，挂在屏风上，又从墙上摘下那把匕首。她再次跪倒在神像前，慢慢抽出匕首，声音低沉却十分清晰地读出上面刻的一行字“宁可怀着荣誉而死，决不受屈辱而生。”就把匕首对准自己的喉咙，这时，门开了走进来的是她的儿子。她一下子丢开匕首，扑过去把孩子紧紧搂在怀里：“啊，我的希望，我的爱情，我的生命和欢乐！”她悲痛欲绝地对着孩子天真的眼睛，唱起最后的歌：我亲爱的孩子，你的妈妈再也忍受不了痛苦，因为你就要离开我，到那遥远的国度，而我却要走向那黑暗的坟墓。我亲爱的孩子，请你记住我，记住你可怜的妈妈，再见吧，再见吧，你要记住我!
巧巧桑泣不成声，她把孩子放下来，给了他一个小木偶人和一面小小的美国国旗，又用一条手帕把孩子的眼睛蒙了起来，然后退到屏风后面。孩子以为妈妈是和他闹着玩儿，笑嘻嘻地等着。屏风后面传来当啷的一声。巧巧桑跌跌撞撞地裹着白围巾走了出来，这时候平克顿同夏普勒斯赶了进来，垂死的巧巧桑见了，便用手指着小苦恼儿，永远地倒在血泊中。平克顿跪在她身旁痛哭失声，可是已经晚了，再也唤不回蝴蝶的生命！
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