Acte I

Du salon des Gaillardin, une sérénade chantée par Alfred depuis la rue se fait entendre (« Ma colombe, n’entends-tu pas »). La femme de chambre, Adèle, lit une lettre de sa sœur, qui l’invite au bal du Prince Orlofsky (« Un billet de ma sœur Flora »). Mais lorsqu’elle demande un congé à sa maîtresse, Caroline, cette dernière le lui refuse (« Malgré le chagrin que j’ai »). Caroline, une fois seule, promet à Alfred qui apparaît à la fenêtre de l’écouter si son mari devait perdre le procès dans lequel il est compromis. Justement, ce dernier revient, flanqué de son avocat Bidard : le procès est perdu et il est condamné à huit jours d’emprisonnement (« J’arrive de l'audience, Je suis d'une impatience ! »). Paraît alors le notaire Duparquet : rappelant à son ami Gaillardin le caractère farceur qui l’a poussé quatre ans auparavant à lui faire la farce de la Chauve-souris, il lui promet de le divertir avant son incarcération, en le conviant au bal du Prince Orlofsky (« Viens souper avec nous »). 

Prévenue par Adèle (qui a entendu la conversation de Gallardin et Duparquet) des intentions de son mari, Caroline résout de se rendre au bal : Adèle pourra finalement l’y accompagner. A ce moment, Gaillardin feint de partir pour la prison, pressé en réalité de rejoindre le palais d’Orlofsky (« Hélas ! quelle est ma peine »). Justement, Alfred entre, bien décidé à remplacer Gaillardin en son logis, et à goûter son vin (« Si je bois un peu beaucoup »). Arrive alors Tourillon, le nouveau directeur de prison, et son geôlier, Léopold : pressé de rejoindre le bal d’Orlofsky, Tourillon vient procéder à l’arrestation de Gaillardin. Afin de ne pas se compromettre, Caroline affirme qu’Alfred est son mari, et ce dernier joue le jeu, jusqu’à réclamer un baiser d’adieu (« Eh ! quoi, monsieur, supposez-vous »). Tourillon presse alors son prisonnier de le suivre (« La volière où l'on vous attend »).

Acte II

Au palais du Prince Orlofsky, Adèle paraît, se faisant passer pour une artiste. Gaillardin arrive ensuite, se présentant comme le Marquis de Valengoujard. Le Prince lui explique que l’argent lui offrant tout, rien n’a plus de valeur à ses yeux et qu’il s’ennuie profondément (« Je fais la fête assurément »). Présenté à Adèle, Gaillardin la reconnait mais se fait reprendre par le Prince qui l’accuse d’impair pour avoir pris son invitée pour une chambrière (« Mesdames, messieurs ! Venez et faites honte »). C’est alors que Tourillon, le Directeur de prison, est annoncé sous le nom de Baron de Villebouzin. Alors que la fête bat son plein (« Folle nuit de plaisirs »), Duparquet annonce l’arrivée imminente de la Comtesse hongroise Katinka : par discrétion, cette dernière viendra masquée et demande à ce que l’on respecte son anonymat. Justement, la noble dame paraît : elle n’est autre que Caroline déguisée. Sommée de prouver sa nationalité hongroise ou d’enlever son masque, Caroline décide d’apporter sa preuve en musique (« Lointain séjour, Où triste et sans trêve »). 

Après avoir dansé ensemble une polka (« Aux gais appels de la polka »), Gaillardin cherche à séduire Caroline, sans reconnaître sa femme : cette dernière joue le jeu tout en se promettant vengeance et parvient à obtenir sa montre en gage d’amour (« L'aventure est divine »). Gaillardin raconte alors la désormais fameuse plaisanterie qu’il fit subir à Duparquet : après un bal masqué bien arrosé où ce dernier était déguisé en chauve-souris, il le fit déposer en voiture à l’autre bout de Paris, sans autre moyen pour rentrer chez lui que de traverser la ville à pieds, sous les moqueries des badauds. Amusé, le Prince Orlofsky fait verser le champagne (« Versez-nous le Champagne ! ») et invite ses convives à la danse. Mais, alors que minuit sonne, Tourillon et Gallardin annoncent devoir partir (« Assez chanté ainsi »).

Acte III

Dans la prison de Pontoise, le geôlier Leopold, ivre mort, cherche à faire taire Alfred, qui chante depuis sa cellule. Tourillon paraît, lui aussi alcoolisé : Leopold lui annonce qu’Alfred a demandé à avoir un avocat et que Bidard a donc été mandé. Adèle et sa sœur Flora paraissent alors, demandant à parler au Baron de Villebouzin, la première espérant obtenir de lui un engagement comme comédienne : elle interprète même un air pour le convaincre de son talent (« Suis-je dans une opérette »). Mais Tourillon les fait alors installer dans une autre pièce, le Marquis de Valengoujard se faisant annoncer. Très vite, le quiproquo est résorbé et les véritables identités dévoilées : Gaillardin est bien surpris d’apprendre qu’un homme a été arrêté la veille chez lui, dans les bras de sa femme. Il décide alors de prendre des habits d’avocat et de se faire passer pour Bidard. A cet instant, Caroline paraît afin de faire libérer Alfred. Gaillardin, déguisé en Bidard, obtient d’eux des aveux. Mais alors qu’il révèle son identité, Caroline lui rend la montre, gage de son amour pour la Comtesse hongroise (« Toute cette affaire »). Duparquet se présente alors, accompagné d’Orlofsky, révélant à Gaillardin que toutes ces aventures n’étaient qu’une farce : la vengeance de la chauve-souris (« Chauve-souris, chauve-souris »).