L'opéra de Puccini a été composé d'après Madame Butterfly de David Belasco, une pièce de théâtre créée en 1900, elle-même basée sur une nouvelle de John Luther Long datant de 1898. Puccini met alors tout en œuvre pour obtenir les droits sur la pièce et parvient à signer un contrat avec le dramaturge en septembre 1901. Le livret est confié à Giuseppe Giacosa et Luigi Illica, qui avaient déjà collaboré avec Puccini pour Manon Lescaut (1893), La Bohème (1896) et Tosca (1900). Puccini s'attèle à la composition entre 1901 et 1903, et Ricordi, l'éditeur de Puccini, programme la première représentation de Madame Butterfly (Madama Butterfly) à La Scala de Milan le 17 février 1904.

La création se déroula dans des conditions exécrables, sabotée par les rivaux de Puccini et de Ricordi, alors que les précédents ouvrages du compositeur y avaient rencontré un succès phénoménal. Le compositeur est accusé d'auto-plagiat, certains voyant dans ce nouvel ouvrage une ressemblance avec La Bohème. D'autre part, les critiques jugent le second acte trop long tout en lui reconnaissant une forte intensité dramatique. L'opéra est retiré de l'affiche et Puccini décide alors de le retravailler en divisant le second acte en deux parties, aboutissant à un opéra en trois actes, pour le redonner à Brescia le 28 mai. Il rencontre alors enfin le succès escompté. L'œuvre sera toutefois ensuite retravaillé à plusieurs reprises, la partition la plus utilisée actuellement étant la cinquième version réalisée pour une production au Metropolitan Opera de New-York en 1907, dans laquelle Puccini a supprimé de nouveaux extraits afin de condenser l'intrigue.

Madame Butterfly poursuit le travaille sur le modèle de figures féminines pucciniennes issues du quotidien ou d'une époque récente telles que Manon ou Mimì, dans une intrigue située cette fois au Japon. La reconnaissance de l'opéra à l'international témoigne du rayonnement de la carrière de Puccini. Cela se confirmera lorsque le Metropolitan Opera lui commandera son opéra suivant, La fanciulla del West.