Действующие лица:
Флория Тоска, знаменитая певица 
Марио Каварадосси, художник 
Барон Скарпиа, шеф полиции 
Чезаре Анджелотти, политический узник 
Ризничий 
Сполетта, полицейский доносчик 
Скьярроне, жандарм 
Тюремщик 
Мальчик-пастух 
Роберти, палач 

Время действия: июнь 1800 года. 
Место действия: Рим.

I действие 

Церковь Сант-Андреа делла Балле в Риме. В одну из боковых дверей входит дрожащий от страха, в оборванных одеждах человек. Это Анджелотти, бежавший из заключения политический узник. Он скрывается здесь, в церкви, в капелле Аттаванти. Его сестра, маркиза Аттаванти, спрятала под статую Мадонны ключ от этой семейной капеллы, и сейчас Анджелотти лихорадочно ищет его. Наконец, найдя его, он торопливо отпирает решетчатую дверь капеллы и спешит укрыться в ней. 

Не замечая беглеца, в церковь входит ризничий, который приносит еду для работающего здесь художника Марио Каварадосси. Он занят своими мыслями и о чем-то говорит сам с собой, направляясь к месту работы художника. Он недоволен тем, что в образе святой проступают черты одной из прихожанок. Не дьявол ли управляет рукой дерзкого живописца? За ризничим появляется сам Марио: картина с образом Марии Магдалины закончена лишь наполовину. Каварадосси поет арию Recondita armonia, где сравнивает облик своей возлюбленной, певицы Флории Тоски, с чертами святой. Ризничий оставляет Марио. Анджелотти, думая, что в церкви никого нет, выходит из капеллы и встречает Каварадосси, своего старого друга. 

Их разговор, однако, прерывается настойчивым стуком в дверь. Это пришла Флория Тоска. Едва заслышав ее голос, требующий, чтобы ей открыли дверь в церковь, Каварадосси заталкивает своего друга обратно в капеллу, чтобы он там спрятался. Появляется Флория. Неоконченный портрет вызывает в ней ревность. Она узнает в портрете белокурую красавицу, и ему стоит определенного труда успокоить ее. Флория не может долго сердиться на своего возлюбленного, и к концу их любовного дуэта они договариваются о встрече сегодня же вечером на его вилле после ее вечернего спектакля во дворце Фарнезе. После ее ухода Анджелотти снова появляется из своего укрытия, и Каварадосси уводит его, чтобы спрятать в своем доме. 

Тем временем риходят новости о поражении Наполеона на севере Италии. В церкви священники ведут приготовления для торжественного богослужения по этому поводу. Но в разгар этой подготовки входит Скарпиа - шеф полиции разыскивающий беглого Анджелотти. Со своим сыщиком Сполеттой он находит множество доказательств того, что беглец скрывается именно здесь. Среди улик — веер с гербом Аттаванти. Он хитроумно использует его, чтобы возбудить ревность Тоски, к которой сам пылает страстью.

Начинается богослужение. В церковь входит большая процессия. И пока звучит Te Deum в честь победы над Наполеоном, Скарпиа стоит сбоку: он надеется, что сможет избавиться от своего конкурента, используя для этого ревность Тоски. Если его план удастся, Каварадосси должен оказаться на эшафоте, а Флория Тоска будет принадлежать ему. Перед самым падением занавеса он преклоняет колена во всеобщей молитве перед шествующим кардиналом, хотя все его мысли поглощены его собственным дьявольским планом.

II действие 

Дворец Фарнезе. В этот же вечер здесь отмечается победа над французами. Скарпиа в своём кабинете в отделении полиции, находящемся во дворце, слышит отдалённые звуки музыки и размышляет о событиях прошедшего дня. С жандармом Скьярроне он посылает записку Тоске. Сполетта обыскал дом Каварадосси, не нашёл там Анджелотти, но застал там Тоску. Каварадосси арестован и приведён во дворец, но его допрос прошёл безрезультатно. Появляется Тоска и Каварадосси успевает тайком сказать ей, что должна молчать о том, что видела у него дома. Скарпиа отдает приказ увести художника в камеру пыток, что и делают жандармы и с ними палач Роберти.

Скарпиа начинает допрашивать Тоску. Она спокойна, но лишь до той минуты, пока не слышит из камеры крики истязаемого Каварадосси. В отчаянии она выдаёт убежище Анджелотти — он прячется в садовом колодце. Каварадосси снова приводят в кабинет Скарпиа. Он понимает, что Тоска всё рассказала. Неожиданно приходит известие о победе Наполеона в Маренго. Каварадосси не скрывает своей радости. Скарпиа отдаёт приказание казнить его на следующее же утро. При этом делает Тоске непристойное предложение.

Тоска совершенно растеряна и подавлена происходящим. Звучит ария Vissi d'arte. Но ради спасения возлюбленного Тоска соглашается принести себя в жертву. Скарпиа убеждает её, что должен создать видимость приготовлений к казни Каварадосси. Он отдаёт Сполетте необходимые распоряжения и одновременно выписывает пропуск для Тоски и художника, чтобы они могли бежать из Рима. Однако, когда Скарпиа поворачивается к ней, чтобы обнять, Тоска наносит ему удар кинжалом и спешно покидает дворец, унося с собой пропуск.

III действие 

Площадь тюрьмы Сант-Анджело. Каварадосси выводят на тюремную крышу, здесь он будет казнён. Он пишет последнее письмо Тоске. Звучит ария Каварадосси E lucevan le stelle. Неожиданно появляется Флория. Она рассказывает об убийстве Скарпиа, показывает возлюбленному пропуска и сообщает ему, что казнь будет ложной. Флория и Марио уверены, что они спасены.

Появляются солдаты во главе со Сполеттой. Каварадосси спокойно встает перед ними. Выстрелы, Марио падает, солдаты уходят. Только теперь Тоска понимает, что она была обманута Скарпиа: выстрелы не холостые — ружья были заряжены пулями, Каварадосси мёртв. Обезумевшая от горя женщина не слышит, что солдаты вернулись. Смерть Скарпиа обнаружена, Сполетта пытается задержать Тоску. Она бросается с крыши замка вниз.