Suzuki aconselha a ela que durma também; quando Pinkerton chegar, ela virá despertá-la. Exausta, ela por fim cai no sono.
Falta pouco para amanhecer quando batem à porta; Suzuki vai atender, são Sharpless e Pinkerton. Pinkerton, ao ver todas as flores e ao ouvir de Suzuki como Butterfly o esperou todos esses anos, é tomado de um súbito remorso.
De repente, Suzuki nota uma mulher no jardim, e pergunta quem é ela. Sharpless não aguenta mais essa farsa e conta-lhe toda a verdade. Suzuki leva as mãos ao rosto e diz: "Santas almas! Para a pequena, o sol se apagou!"
Sharpless pede a Suzuki que vá ao jardim falar com Kate Pinkerton.
Enquanto isso, este último, possuído por um remorso avassalador, por fim reconhece que foi naquela casinha pequenina que ele conheceu a verdadeira felicidade (Addio, fiorito asil). Pinkerton sai correndo; ele não tem coragem de enfrentar a jovem cuja vida ele destruiu.
Butterfly desperta e, ao sair do quarto onde estava dormindo, entra na sala e se depara com Sharpless, Suzuki, e uma mulher estranha. Suzuki chora. Num instante, Butterfly compreende tudo. "Não! Não me digam nada. Eu já sei. Aquela é a mulher de Pinkerton?" Kate pede a ela que lhe entregue o seu filho. "Serei como uma mãe para ele."
Butterfly promete que o entregará dentro de meia hora. Sharpless e Kate se retiram, e Butterfly pede a Suzuki que vá buscar seu filho.
Enquanto isso, ela retira de um baú um punhal, com o qual seu pai havia cometido seppuku, também conhecido como hara-kiri, um suicídio ritual japonês, e lê a inscrição: "Com honra morre aquele que não mais com honra viver pode." Suzuki volta com o garoto, e Butterfly pede a ela que a deixe a sós com ele. Ela beija ternamente o seu filho, e pede-lhe que nunca se esqueça da sua mãe japonesa.
Venda os olhos do menino, dá-lhe uns brinquedos para que brinque, e enfia a faca no ventre. É o fim.
