Szuzuki gyanítja a tengerészhadnagy szándékát, de mikor szóvá teszi úrnőjének, az megpirongatja. Cso-cso-szán bérelt házába megérkezik Sharpless egy levéllel, melyben Pinkerton tudatja, hogy megnősült Amerikában és hamarosan meglátogatja majd új feleségével. Cso-cso-szán, aki nem tud angolul olvasni, a levél láttán fellelkesedik, mivel azt hiszi a hadnagy visszatér hozzá. A lány lelkesedését látva, a konzul nem mondja el az igazságot. Megérkezik Goro, egy új kérővel, Yamadori herceggel, Cso-cso-szán visszautasítja emlékeztetve a kerítőt, hogy neki már van férje. Goro elmagyarázza neki a japán hagyományt, mely szerint az egyedül hagyott asszony elvált asszonynak számít, mire a lány visszafeleli, hogy ő már amerikai asszony. Sharpless megpróbálja meggyőzni, de sikertelenül. Cso-cso-szán bemutatja a konzulnak Pinkerton kisfiát. Miután a konzul távozik a távolban ágyúdörgések hallatszanak, amelyek az amerikai USS Abraham Lincoln közeledtét harangozzák be. Cso-cso-szán és Szuzuki virágokkal feldíszítik a házat, majd Cso-cso-szán átvirrasztja az éjszakát férjére várva.

Szuzuki meggyőzi úrnőjét, hogy feküdjön le az átvirrasztott éjszaka után, majd ő várja a tengerészhadnagyot. Pinkerton Sharpless társaságában érkezik és közli Szuzukival, hogy Amerikában megnősült és a szolgálólány segítségét kérik a hír átadására Cso-cso-szánnak. Szuzuki csak azután egyezik bele, miután Sharpless biztosítja őt, hogy Pinkerton felesége gondját viseli majd a gyereknek. Mikor Cso-cso-szán belép a szobába Kate Pinkertonnal, a hadnagy feleségével találja magát szembe, aki bocsánatért esedezik és megígéri, hogy gondját viseli majd a gyereknek. Cso-cso-szán a híreket apatikus nyugalommal fogadja, ekkor döbben rá, mit tett vele Pinkerton. Látogatóit elküldi, kérve őket, hogy félóra múlva térjenek vissza a gyerekért. Elbúcsúzik a gyerektől, beköti annak szemét és kezébe egy amerikai zászlót ad. Felveszi apja tőrét és japán módra véget vet életének.