传旨官（男中音）仿佛从天而降，肃穆地宣布圣旨：“猜中公主图兰朵三个谜语的王子，就能娶她为妻，否则留下人头。而波斯王子不幸失败，所以月亮升起之时，斩！”芸芸众生惊呆了（合唱）。
　　青年女子（柳儿，抒情女高音）和一位盲老人（铁木尔，男低音）从舞台的一角登场。老人被拥挤的人群绊倒在地，当柳儿唱起求救的旋律时，一位陌生青年男子（匿名王子卡拉夫，男高音）匆忙跑过来帮忙。从他们的对话中得知，原来这是一对失散的被灭国的皇帝和王子以及他们的女奴。
　　三人倾诉命运的劫难，王子则叮嘱他们一定要小心，因为追杀他们的仇敌还在寻找着他们。
　　深夜来临，地面烟雾腾腾，楼灵公主阴魂不散。在朦胧的月色中，羽人与楼灵对峙较量着。人群不断地叫嚣着要处斩没有猜中谜语的波斯王子，在葬礼音乐的气氛中，这个脸色苍白又极其忧郁的年轻人登场了。卡拉夫同情地迎向他，并呼吁公主宽恕他，诅咒残忍的图兰朵公主。
　　在茉莉花的旋律引导中，冷漠孤傲的公主图兰朵（戏剧女高音）出现在高高的云端，卡拉夫完全被这冰美人所吸引，他不顾父亲和柳儿的劝阻，充满自信地要敲锣猜谜。此刻他的生命已经完全投入到对图兰朵的爱中。
　　三个朝廷大臣平（男中音）、庞（男高音）、朋（男高音）在他们父子争执的时候突然登场。三人不断地揶揄卡拉夫，嘲笑他的“爱情”，讥讽他的勇气。
　　此时，场外传来了波斯王子被斩首前的最后一声凄厉呼喊“图兰朵！”。
　　急切的铁木尔大声地问道：“卡拉夫难道你也要这样去送死！”女奴柳儿也抱着一颗偷偷爱着王子的心，恳求地唱道：“主人，请听我说”（ signore ，Ascolta)。
　　卡拉夫不顾父亲和柳儿的劝阻，鼓足勇气，用尽全身力气敲响了将要决定命运的大锣！
　　幕落

　　第一场
　　平、庞、朋三位大臣在深夜抱怨着自己的工作，抱怨着残酷的图兰朵，并怀念着过去的田园生活。 在喧嚣的人群声中，国王要上朝了，“猜谜”即将开始。三个大臣平、庞、朋也匆匆更衣，赶去参加仪式。
　　第二场
　　群众欢呼后，老弱的皇上（男高音）三次好心地劝阻了卡拉夫。然而卡拉夫毅然决然要求猜谜，因为只有这样他才能得到图兰朵公主的心。 在茉莉花的旋律中，图兰朵公主正式登场，当她看见卡拉夫，便意识到她可能会被卡拉夫征服。于是，公主向卡拉夫叙述了一个古老的故事来说明她复仇的动机：她的祖先“楼灵”公主 (La Principessa Louling) 曾经被敌国掳掠，受尽侮辱。所以她要向男人们“复仇”！在她自白的咏叹调的最后，高声地警告卡拉夫“猜谜有三次，而一次失败你将毙命！”，卡拉夫也毫不示弱地回答“猜谜有三次，而我能得到那一次生命！” 猜谜在紧张的气氛中开始了，卡拉夫一步一步探索着图兰朵的内心世界。当三个谜底“希望、鲜血、图兰朵”被卡拉夫逐个猜中的时候，人民欢呼起来，终于有人猜中了答案，再也不会有血腥的杀戮了。
　　自负的公主震惊了，她没有想到这个“陌生人”能够猜中谜底，内心的羞辱和恐惧使得图兰朵无地自容，她无力地吟唱着：“父亲啊，不要把我嫁给他。”皇上坚守承诺，百姓也在恳求。这时，智慧的卡拉夫在《今夜无人入睡》的旋律中给出了本剧的第四个谜语：如果第二天天亮之前，图兰朵能猜出他的名字，他甘愿把自己的生命奉献给图兰朵。
幕落。

　　第一场
　　深夜，楼灵公主恐惧地游荡在深宫内。传旨官的声音响彻夜空：“京城人民都要去打探那个外邦人的名字，否则天亮之前图兰朵公主会把你们全部问斩！”宫内宫外，全城百姓人人皆畏。
　　这时，卡拉夫吟唱着《今夜无人入睡》（Nessun dorma！原文为祈使句，直译为“没有人可以睡觉！”）的咏叹调登场。平、庞、朋像疯了似地找到他，威胁他，用美女和金钱诱惑他，请他离开京城，放弃图兰朵，遭到了卡拉夫的拒绝。于是，平、庞、朋又逮捕了铁木尔和柳儿。 　　在茉莉花的旋律中，图兰朵第三次出场，亲自审讯铁木尔和柳儿。柳儿为了保护卡拉夫和铁木尔，勇敢地承担了痛苦与折磨，并向公主讲述着神圣的爱情。图兰朵不理解柳儿是凭借怎样的力量不肯说出这个外乡人的名字。柳儿预言公主最终也会爱上卡拉夫，“当黎明来临时，公主会爱上卡拉夫，而我将闭上疲惫的双眼”，柳儿自尽了。在场所有的芸芸众生都被柳儿深深感动，吟唱起送葬的歌。（写到这里，普契尼大师溘然长逝。）
　　第二场
　　至此，进入中国国家大剧院版《图兰朵》重新阐释的结尾——最后18分钟。
　　一切都变了，有如黑暗终将离去，黎明终会到来一样：图兰朵变了，卡拉夫变了，整个世界改变了。图兰朵仰视着被羽人引向云端的柳儿，自己仿佛从云端坠入深渊。她鞭打着平和布丁包，仿佛在鞭打自己的灵魂。 卡拉夫愤怒地指责图兰朵，公主无力地为自己辩解。卡拉夫一步步征服了公主，深深地吻了她。 此刻双簧管独奏奏响柳儿主题，暗示着柳儿心中“无言”的爱也开始在公主的心中慢慢觉醒，无数羽人从天而降（童声合唱“天将亮，天将亮”）。图兰朵公主获得了一生中第一次的爱，流下了一生中的第一滴眼泪。一切都变了，仿佛空气都变得温柔。图兰朵轻声吟唱着咏叹调“第一滴眼泪”（Del Primo Pianto）。她请求卡拉夫：“你走吧，带着你的谜底走吧……”。此刻的卡拉夫也被公主绝望的表白感动，主动地告诉她：“我叫卡拉夫，铁木儿的儿子”。瞬间，公主被卡拉夫真诚的爱所激励，大声地说：“来吧，握住我的手，站在人民的面前。” 图兰朵公主也向父亲告白：“我知道了这个异乡人的名字，那就是爱。”
　　全场高唱着爱的旋律，羽人们接出了卡拉夫的父亲铁木尔。骄傲的公主图兰朵向铁木尔深深行了一个礼。