북경의 궁전 앞 광장으로, 한 관리가 등장해 포고문을 전한다. 절세미녀인 투란도트 공주는 자신이 내는 세 개의 수수께끼를 풀 수 있는 사람과 결혼할 것이며, 만일 한 문제라도 맞히지 못하는 경우에는 목숨을 바쳐야 한다는 것이다. 이미 여러 사람이 도전했으나 형장의 이슬이 되었고, 곧 페르시아 왕자도 사형이 집행된다는 내용이었다.
군중 사이에는 남루한 옷을 걸친 늙은 노인이 있었는데, 그는 조국을 잃고 방황하고 있는 타르타르 왕 티무르였다. 이때 군중에 떠밀려 쓰러지면서 한 젊은 남자의 도움을 받게 된다. 그런데 바로 그 젊은 남자는 전쟁에서 죽은 줄로만 알고 있었던 바로 자기의 아들 칼라프 왕자였다. 티무르를 시중들고 있던 노예 류도 몹시 기뻐하는데 그녀는 왕자를 남몰래 사랑하고 있던 참이었다. 그들은 남들이 눈치채지 못하도록 조용하게 재회의 기쁨을 누린다.
군중의 함성이 크게 울리더니 투란도트 공주가 성곽 위에 나타나 페르시아 왕자의 사형 집행을 신호한다. 그 순간 칼라프는 그녀의 미모에 매혹되어 수수께끼에 도전할 결심을 한다. 티무르와 류는 극구 만류하지만 막무가내다. 멀리서 이미 사형된 왕자들의 혼령이 부르는 합창소리가 들려온다.
칼라프를 사랑하는 류는 유명한 아리아 '나의 말을 들어주오'를 부른다. 애절한 그녀의 호소에 그는 감동하지만 반드시 수수께끼를 풀겠다며 '울지마라, 류'라는 아리아를 노래한다. 우스꽝스럽게 생긴 세 명의 대신 핀, 판, 폰이 목숨을 아끼라며 그를 저지하고, 군중도 이에 동조한다. 그러나 그는 투란도트 공주의 이름을 높이 외치면서 단호히 나아가 징을 두드린다.
- 제 2 막 -
궁전 안의 한 야외 경기장의 관람석이다. 핀, 판 그리고 폰은 무정하기 그지없는 투란도트 공주에 관해 이야기를 나누면서 13명의 불쌍한 구혼자들이 그녀 때문에 목숨을 잃었다고 수다를 떤다.
다시 궁전 앞의 광장으로,군중들은 무명의 왕자가 수수께끼를 풀기 위해서 기다리고 있는 모습을 지켜본다. 트럼펫의 팡파르가 울리자 황제 알툼이 입장한다. 여덟 명의 현신이 수수께끼의 해답이 있는 두루마리를 가지고 대령하고 있다. 칼라프는 왕좌 앞에 서 있고, 포고문이 큰 소리로 다시 읽혀진다. 황제는 그 무명의 왕자에게 늦기 전에 생각을 바꾸라고 권하지만, 칼라프는 거절한다. 투란도트 공주는 왜 자기가 이런 행동을 하는지에 대해서 설명한다.
먼 옛날, 이 궁전에 쳐들어온 타르타르 군의 젊은이가 로우링 공주를 잡아 잔인하게 능욕하고 죽였기 때문에 외국에서 찾아온 젊은이에게 풀기 어려운 수수께끼를 내어 복수한다는 것이며, 자기가 로우링 공주의 환생이라고 한다. 이러한 내용을 말하는 아리아가 바로 유명한 소프라노 아리아인 '이 궁전 안에서'이다. 문제는 셋, 죽음은 하나라고 공주가 말하자 칼라프 역시 수수께끼는 세 가지요, 묵숨은 단 하나 뿐이라고 대담하게 대꾸한다.
공주는 그를 향해 첫 번째 문제를 던진다. '들어라, 젊은이여, 어둠을 비추고 다음 날 없어지는 것은?' 하고 묻자 그는 '희망'이라고 답한다. 다시 둘째 문제로, '태어날 때는 열병과 같이 뜨겁다가 죽을 때는 차가워지는 것은?' 하고 묻자, 그는 '피'라고 외친다. 군중은 칼라프를 성원하듯 환호성을 지르지만 공주는 장내를 정리시키고, 화가나서 그에게로 달려 내려가서는 마지막 질문을 던진다. '그대에게 불은 붙이는 얼음은?' 칼라프는 창백한 얼굴로 주저하다가 '투란도트'라고 소리 지른다. 마침내 승리하였다.
군중들은 축복하지만, 공주는 이름도 모르는 자와 결혼할 수 없다며 황제에게 달리 묘책을 강구해 달라고 매달린다. 황제는 단호하게 '약속은 신성하도다'라며 거절한다. 칼라프는 공주에게 한 가지 문제를 제의한다. 만일 그녀가 동이 트기 전에 자기의 이름을 알아 맞춘다면 그녀를 자유롭게 해 줄 것이며 아울러 자기의 목숨까지 바치겠지만, 그렇지 못할 경우에는 마땅히 자기의 아내가 되어야 한다고 말한다.
- 제 3 막 -
궁전의 정원이 보이고, 역시 한 관리가 포고문을 외치고 있다. 왕자의 이름이 밝혀질 때까지 아무도 잠을 잘 수 없으며, 만일 이를 위반하면 사형에 처한다는 것이다. 칼라프가 이 포고문을 되받으며 부르는 아리아가 그 유명한 '공주는 잠 못 이루고' 이다. 핀, 판, 폰은 칼라프로부터 이름을 들으려고 뇌물을 주면서, 그대의 이름만 말해준다면 금과 행복한 생활을 보장하겠다고 갖은 유혹을 하지만 그는 거절한다.
마침내 티무르와 류가 공주 앞에 끌려오고, 공주는 그들에게 왕자의 이름을 밝히라고 하지만 대답을 않자 티무르를 고문하라고 지시한다. 류는 그를 구제할 속셈으로 오직 자신만이 왕자의 이름을 안다고 나선다. 공주는 그녀를 잔혹하게 고문하면서 이름을 묻지만 끝내 밝히지 않자, 공주는 의아해 하며 '네가 이런 고통을 감수하는 이유가 무엇이냐?'고 묻는다. 류는 그것은 바로 사랑의 힘이라는 유명한 아리아 '사랑은 강하도다'를 노래하고, 계속해서 '얼음장 같은 공주님의 마음도'라는 아리아를 부른다. 그리고 옆에 있는 병사의 단도를 빼어 자기의 가슴을 찌른다. 칼라프는 그녀의 숭엄한 죽음 앞에 무릎을 꿇고 애도하고, 군중들도 나직한 목소리로 동정한다. 투란도트와 함께 남게 된 칼라프는 공주의 얼굴에 가려진 베일을 찢는다. 그는 눈물을 흘리며 '죽음과 같은 공주여, 얼음과 같은 공주여'라고 노래한다.
- 푸치니가 이 곡을 완성하지 못하고 죽음으로써 초연에서는 류가 자살하는 장면가지 공연이 되었었다. 이 이하는 그의 제자 프란코 알파노가 작곡하여 완성시켰다. -
칼라프는 투란도트를 안으면서 열정적으로 키스를 퍼붓는다. 그토록 냉정하던 그녀의 마음도 차차 봄눈 녹듯 스러진다. 그녀는 우아한 자태로 '넘치는 눈물'이라는 유명한 아리아로 답한다. 칼라프는 '나는 티무르의 아들, 타르타르의 왕자'라고 자신의 이름을 밝히고, 공주도 '이제 나는 당신의 이름을 아오'라고 답한다. 사랑 앞에서 그 어느 것도 문제가 될 수 없었다.
장면은 바뀌어 궁전의 밖이다. 황제는 그의 왕자에 앉아 있고, 광장에는 군중이 운집하여 있다. 동이 트자, 투란도트는 황제에게 '아버지, 저는 이 사람의 이름을 압니다.'라고 말한다. 그리고 몸을 돌려 칼라프의 눈을 응시한채 '그의 이름은 사랑이라오'라고 소개한다. 칼라프는 공주를 포옹하고, 군중은 꽃을 뿌리면서 즐겁게 사랑의 환희를 노래한다.