Действие первое

Монархическая Италия 1800 года. Ранним утром, когда церковь Сант-Андреав Риме еще закрыта для верующих, в нее тайком пробирается бежавший из тюрьмы политический заключенный Чезаре Анджелотти. Здесь, в фамильной капелле его сестры маркизы Аттаванти, спрятана женская одежда, в которую он должен переодеться и бежать из Рима от преследования начальника римской полиции барона Скарпиа.

В церкви работает художник Марио Каварадосси, ему прислуживает ризничий. Каварадосси рисует кающуюся грешницу Магдалину, но ризничий с удивлением замечает в ней сходство с маркизой Аттаванти, молившейся вчера в храме. Когда ризничий уходит, Каварадосси видит прячущегося в церкви Анджелотти. Он хочет помочь беглецу, но его окликает пришедшая в церковь Флория Тоска, знаменитая певица и возлюбленная художника. Она пришла договориться с Марио о вечерней встрече: сегодня после спектакля они смогут провести вечер в их новом доме. Но рассеянность Каварадосси вызывает ревнивую подозрительность Тоски. Ревность переходит в уверенность в измене, когда в Магдалине, которую рисует Марио, Тоска узнает маркизу Аттаванти. Художнику с трудом удается успокоить Тоску и уговорить ее уйти.

Каварадосси возвращается к Анджелотти и предлагает ему приют в своем доме, где на случай погони можно спрятаться в колодце возле сада. Раздается выстрел тюремной пушки, возвещающий о побеге Анджелотти. Каварадосси торопит беглеца покинуть церковь через тайный ход и сам вызывается проводить его к себе домой.

В храм врываются римские полицейские, за ними приходит Скарпиа. Преступник может скрываться только здесь. Полицейские обыскивают церковь. Скарпиа допытывается у ризничего, не видел ли он Анджелотти. Испуганный ризничий обнаруживает неопровержимую улику присутствия в храме постороннего: дверь в капеллу Аттаванти открыта, а корзина с завтраком Каварадосси пуста. Он точно знает, что Каварадосси отказался от еды. Скарпиа догадывается, что Каварадосси помог бежать преступнику.

В церковь возвращается Тоска, ревность мучает ее. Скарпиа решает использовать вспыльчивость и подозрительность певицы. Он показывает ей веер с гербом Аттаванти, который обронил Анджелотти из свертка с женской одеждой, оставленного сестрой, и намекает, что именно с маркизой ушел художник. Тоска в отчаянии устремляется в дом Марио, чтобы уличить его в измене с Аттаванти. Скарпиа посылает за ней полицейских: Тоска приведет их к беглецу. Теперь Анджелотти обречен, но есть еще одна цель у Скарпиа — отправить в тюрьму Каварадосси. Ведь тогда Тоска — давняя страсть Скарпиа — окажется у него в руках.

Действие второе

Кабинет Скарпиа в верхнем этаже палаццо Фарнезе. Барон ждет Тоску. Она должна прийти сразу же после того, как споет на балу торжественную кантату в честь победы итальянской армии над Наполеоном. В кабинет входит посланный следить за Тоской Сполетта. Он сообщает, что Тоска недолго была в доме Каварадосси, преступник Анджелотти там не найден, но полиция арестовала самого художника.

Допрос Каварадосси не дает результатов. Тоске Каварадосси тоже велит ничего не рассказывать. Скарпиа отдает пленника палачу. Стоны Каварадосси заставляют Тоску выдать тайну, доверенную ей художником. Она рассказывает Скарпиа, что Анджелотти прячется в колодце в саду Каварадосси. Скарпиа посылает Сполетту за Анджелотти. Но в это время Шарроне приходит с известием, что торжество преждевременно: в битве при Моренго войска Наполеона наголову разбили итальянских монархистов. Каварадосси не скрывает радости. Взбешенный Скарпиа отдает приказ заточить художника в тюрьму.

Тоска умоляет барона освободить Каварадосси. Скарпиа, наслаждаясь ее горем, обещает помиловать художника, если Тоска станет его любовницей. Спасение любимого сейчас единственно дорого Тоске — она дает согласие.

Взамен Скарпиа приказывает Сполетте во время казни стрелять в Каварадосси холостыми патронами. Когда солдаты уйдут, Тоска и Каварадосси смогут бежать. Скарпиа дает Тоске пропуск, который поможет им беспрепятственно перейти границу. Но когда Скарпиа, открыв объятия, идет к Тоске, она вонзает кинжал в его грудь.

Действие третье

Тюрьма Сант-Анджелло, куда заключен Каварадосси. Через час его казнь. Марио пишет прощальное письмо Тоске и просит тюремщика передать его певице.

Вбегает Тоска. Она показывает Каварадосси пропуск, полученный от Скарпиа, и рассказывает, что расстрел его будет не настоящим: услышав выстрелы, он должен упасть, а после ухода солдат они убегут. Каварадосси старается в это поверить и сам успокаивает измученную пережитым возлюбленную.

За художником приходит тюремщик. Гремит залп, и Каварадосси падает. Уходят солдаты. Тоска бросается к Каварадосси, но тот не откликается на ее зов. Он мертв. Обещание Скарпиа стрелять холостыми патронами был ложью.

В тюремный двор прибегают Шарроне, Сполетта и полицейские. Убийство Скарпиа раскрыто, но Тоска не даст им схватить себя. Она бросается вниз с высокой башни.