Действие первое


В церквь Сант-Андреа-делла-Вале вбегает бывший республиканец, а ныне политический преступник Анджелотти. Он бежал из тюрьмы и ищет в капелле, принадлежащей его семье – роду Аттаванти, укрытие от преследования. Теряя силы, Анджелотти находит ключ и прячется в капелле.
Появляется художник Марио Каварадосси. Поднявшись на помост, он продолжает работу над изображением кающейся Марии Магдалины. Ризничий возмущен сходством изображаемой святой с маркизой Аттаванти. Каварадосси не отрицает сходства, но его мыслями и сердцем владеет только одна женщина, его возлюбленная Флория Тоска, известная певица. Когда Каварадосси остается один, из капеллы осторожно выходит Анджелотти. Он знаком с художником, доверяет ему и просит о помощи. Услышав голос Тоски, Каварадосси отдает беглецу для подкрепления сил свою корзину с провизией и просит скрыться.
Вошедшая в церковь Флория тоже угадывает в изображении Магдалины черты маркизы Аттаванти. Это вызывает в ней вспышку ревности, но художник успокаивает любимую искренним любовным признанием. Предвкушая вечернее свидание, Тоска уходит.
Каварадосси предлагает Анджелотти для укрытия свой загородный дом. Слышен пушечный выстрел, возвещающий о раскрытии побега. Каварадосси и Анджелотти спешат скрыться.
Церковь заполняется горожанами. Пришло известие о победе над Бонапартом, и по этому случаю вот-вот начнется торжественное богослужение. Радостную суету прерывает появление шефа полиции Скарпиа. Во главе жандармов он устремляется к капелле Аттаванти, где рассчитывает найти беглеца. Ризничий поражен тем, что решетка открыта. Помощник Скарпиа, Сполетта, выносит из капеллы и другие улики, подтверждающие, что полиция напала на верный след: пустую корзину и женский веер. Их, вместе с женской одеждой, оставила маркиза, чтобы брат, переодевшись, мог бежать.
Тоска возвращается в церковь. Она хочет сообщить любимому, что задержится вечером: в связи с объявленными торжествами она будет петь при дворе кантату. Заметив Тоску, Скарпиа решает распалить в ней ревность и использовать, как приманку. Он обращает внимание певицы на сходство портретных черт Магдалины с маркизой, на отсутствие Каварадосси, который почему-то прервал свою работу и исчез, и, наконец, на забытый веер с гербом Аттаванти. Ревнивая Тоска спешит покинуть церковь. Скарпиа отправляет за ней следом Сполетту и жандармов. Он уверен, что разгневанная женщина приведет их к тайному убежищу художника, оказывающего пособничество государственному преступнику.
Начинается торжественное богослужение. Скарпиа жаждет двойной награды, но важнее для него не голова мятежника, а обладание страстной Тоской. Голос Скарпиа сливается с хором прихожан, восхваляющих Господа.


Действие второе


В палаццо Фарнезе, в своем кабинете, Скарпиа ждет результата закрученной им интриги. Его ожидания оправдались не полностью: Тоска действительно привела полицию в жилище Каварадосси и его арестовали для допроса, но найти Анджелотти там не удалось. Скарпиа рассчитывает пытками вырвать у художника правду. В парадных залах дворца идет королевский прием по случаю победы над Наполеоном, хотя битва еще не окончена. Слышен голос Тоски, солирующей в кантате. Скарпиа посылает ей записку, в которой просит прийти к нему в кабинет сразу после концерта.
Приводят Каварадосси. Скарпиа начинает расспрашивать художника, но безрезультатно: художник все отрицает. Когда Скарпиа отдает приказание начать пытку, в кабинет входит Тоска. Перед тем, как Марио уводят в потайную комнату, он успевает шепнуть Флории, чтобы она молчала во что бы то ни стало.
Тоска держится и уклончиво отвечает на вопросы Скарпиа, но стенания и крики любимого лишают певицу самообладания. Она сообщает, что Анджелотти скрывается в саду, в колодце.
По приказу Скарпиа жандармы вносят измученного Каварадосси. Флория бросается к любимому. Марио слышит распоряжение Скарпиа достать беглеца из колодца и понимает, что Тоска проговорилась. Каварадосси проклинает ее. Сполетта сообщает, что известие о победе контрреволюции было преждевременным: победил Наполеон, и его войска приближаются. Скарпиа потрясен, в то время как Каварадосси эта новость воодушевляет. «Победа!» – восклицает Марио и призывает возмездие на головы палачей и тиранов. Скарпиа приказывает увести художника и на рассвете казнить.
В ответ на мольбы Тоски он предлагает спасти жизнь Каварадосси. Тоска просит назначить цену. Скарпиа отвечает, что он не продается за деньги прекрасным дамам, но давно мечтает о ее любви и хочет, чтобы сегодня она принадлежала ему. Приблизившись к певице, он хочет силой овладеть ею, но Тоска оказывает сопротивление. Вбежавший Сполетта докладывает, что Анджелотти покончил с собой при приближении полиции. Скарпиа напоминает Тоске о грядущей казни Каварадосси и оставляет ей только одну возможность спасти своего любовника. Подавленная Тоска соглашается. Скарпиа сообщает, что казнь должна состояться в любом случае, но обещает, что расстрел будет произведен холостыми патронами. После мнимой экзекуции Тоска и Каварадосси могут бежать. Давая распоряжение Сполетте, Скарпиа говорит, что узник должен быть расстрелян, как Пальмьери. Флория не знает, что Пальмьери был расстрелян на самом деле…
Тоска просит Скарпиа выдать ей пропуск на два лица, чтобы они с Каварадосси могли покинуть страну. Пока Скарпиа выписывает пропуск, она внезапно принимает страшное решение. Когда Скарпиа приближается, Тоска убивает его.
Забрав пропуск, Флория убегает из дворца.


Действие третье


Площадка тюремного замка Сант-Анджело. Утренняя заря освещает небо. Слышны колокола и песня пастушка. Отказавшись от последней исповеди, Каварадосси просит тюремщика дать ему возможность написать прощальное письмо. Погрузившись в воспоминания и глядя на гаснущие на небосклоне звезды, он прощается с жизнью.
Вбегает Флория. Она возбужденно рассказывает, что казнь будет мнимой. Марио должен лишь получше притвориться, чтобы солдаты ничего не заподозрили, а потом они смогут уехать. Она рассказывает любимому, как убила Скарпиа. Марио целует ласковые и чистые руки Тоски. Этим нежным рукам справедливость доверила свое оружие!..
Входят солдаты. Начинается казнь. Раздается ружейный залп и Каварадосси падает. Тоска восхищается его актерской игрой. Когда солдаты уходят, она приближается к любимому – и с ужасом понимает, что Марио мертв. Тщетно взывает к нему Флория: расстрел оказался настоящим.
Врываются Сполетта и жандармы, узнавшие об убийстве Скарпиа. Они хотят схватить певицу. Взбежав на парапет и воскликнув: «О Скарпиа, перед Богом!», – Тоска бросается в пустоту.