El pueblo de Pekín escucha la proclama de uno de los mandarines del emperador ("Popolo di Pekino..."), por el cual informa que la princesa se casará con aquel príncipe que responda correctamente los tres acertijos impuestos por su majestad. De no hacerlo así, morirá.
Se informa que el Príncipe de Persia ha fallado, por lo tanto morirá al salir la luna. La gente acude a tal acto y llegan a la ciudad un ciego acompañado por una esclava quien lo guía. Entre la multitud, cae al suelo y es recogido por quien lo reconoce como su padre. El ciego es en realidad el rey Timur que tras perder la batalla, escapa junto a su guía para que ella mendigue por él. El príncipe, ante tal gesto de la mujer pregunta por qué tal noble acto y ella responde porque "un día, en palacio, tú me sonreíste".
El verdugo Pu-Tin-Pao aparece tras el clamor popular quienes cantan sobre la sangre derramada en el reino de Turandot, la princesa. Todo es jolgorio hasta que el pueblo enmudece al aparecer el príncipe de Persia y piden piedad por la vida del mismo. El príncipe que había ayudado a su padre en las calles observa con horror el espectáculo, uniéndose al pueblo despreciando tal acto cruel. Pero es allí cuando hace su aparición la princesa quien con un gesto, ordena al verdugo que prosiga y vuelve a sus aposentos. Allí, el príncipe de misterioso origen cae completamente cegado ante la belleza de la princesa ("O divina bellezza! O meraviglia!") de tal forma que decide quedarse allí, sin escuchar las súplicas de su padre y la esclava para entrar en razones, y decide entonces probar su suerte para conquistar el corazón de la princesa.
Cuando está dispuesto a golpear el gong tres veces para entrar a la prueba, tres ministros del emperador, Ping, Pang y Pong, le cortan el paso para intentar convencerlo de que no se arriesgue por algo así ya que, de todas formas, Turandot es solo una mujer y siendo él tan poderoso, podría conseguir mujeres a montones. En ese momento, algunas cortesanas aparecen pidiendo silencio. Liu, la esclava, ruega al príncipe que desista. Pero el príncipe le dice que ya es tarde, y que lo hará de todas formas, por lo que le pide que acompañe a su padre antes de dirigirse al gong gigante, al que golpea tres veces.
Desde el Palacio les anuncian que se presenten para el enésimo pretendiente. Llegan los ministros y los guardias y cortesanas se aprestan a la llegada del emperador, quien preside la ceremonia, aclamado por el pueblo. Él mismo intenta advertir y detener al príncipe, deseando querer parar con el baño de sangre y no queriendo "cargar con el peso de joven vida" por las pruebas pero recibe la negativa del solicitante. El mandarín lee nuevamente la ley impuesta al perdedor, quien deberá morir al fallar.
Turandot aparece y explica el porqué de su fría actitud frente a sus pretendientes. Una de sus antepasados, la princesa Lou-Ling fue violada por un extranjero y dejada a su muerte. Ella desea vengarla entonces, imponiendo su prueba mortal a todos los príncipes que vienen de distintos reinos para conquistarla.
Luego Turandot misma formula los acertijos.
El primero es "Quién es el fantasma que cada noche nace de nuevo en el hombre y muere cada día?" El príncipe piensa y acierta respondiendo "La esperanza".
Nuevamente ella pregunta, "Qué es lo que flamea como una llama y no es fuego, y arde como la fiebre pero se enfría en la muerte?", siendo la respuesta del príncipe "La sangre".
Finalmente, temblorosa y perdiendo la compostura, formula su tercer pregunta de la siguiente manera "Qué es lo que quema como el hielo, y cuanto más frío es, más quema?". Al dudar por varios instantes, Turandot rie de la suerte del concursante. Éste, al observarla directamente a los ojos y contemplar su belleza, se reincorpora triunfante y responde "Turandot".
El consejo de mandarines acepta la respuesta como correcta y el reino se regocija, vivando al ganador. Ella clama entonces a su padre por piedad, para que no entregue a su hija en manos de este extranjero, pero el emperador replica que la palabra fue dada. El príncipe, al ver la resistencia de la princesa le propone un nuevo acertijo: si ella adivina su nombre antes del alba, él morirá. Ella, naturalmente, acepta la apuesta.
Turandot ordena que habrá pena de muerte a todo el mundo que sepa el nombre del príncipe y no lo diga. Los guardias recorren las calles entonces, pidiendo que nadie duerma en Pekín.
Ping, Pang y Pong se presentan nuevamente intentando convencer al príncipe otra vez para que termine con esto, intentando ofrecerle mujeres y riquezas pero él sigue firme en su decisión de conseguir lo que se propuso. Los guardias entonces encuentran a su padre Timur y a Liu, a quien amenazan de muerte para que el príncipe revele su nombre.
Llega la princesa y Ping, a través del verdugo, empiezan a torturarla pero Liu entonces, declara que ella sabe el nombre pero se niega a declararlo incluso diciendo que pueden torturarla hasta el cansancio, pero ella no cederá.
Turandot pregunta a Liu, el porqué de su fuerza interior para soportar tal dolor a lo que la esclava responde que es amor. Le brinda entonces, según sus palabras, su amor a su señor mediante el silencio del amor inconfesado agregando que si ella le brinda su nombre, ella le dará su amor y ya no le quedará nada. Le advierte incluso a la princesa que ella también caerá rendida a su amor y en un acto final de sacrificio por amor, toma una de las armas de los guardias a su lado y se suicida.
La gente de Pekín grita "Parla! Parla! Il nome!" mientras Liu muere en brazos del príncipe, manteniendo su palabra hasta el final. Su padre, Timur, se retira junto al cuerpo de Liu, quien es trasladado por los guardias a su morada final. Perturbado por el acontecimiento, el príncipe enfrenta a la princesa recriminándole su frialdad derramando sangre inocente y agregando además que su "hielo es una mentira". Tras una larga conversación, el príncipe logra besarla quebrando la rígida actitud de Turandot al punto de que acepta su derrota, pidiéndole que no la estreche entre sus brazos. Finalmente, el príncipe, con resignación revela su nombre: "Io son Kalaf, figlio di Timur" (Soy Calaf, hijo de Timur). Es el amanecer, y suenan las trompetas de palacio.
El Emperador se hace presente junto a toda su corte frente a su pueblo, para que su hija, la princesa Turandot revele el nombre del misterioso príncipe. Todos esperan espectantes la respuesta y cuando el momento llega, ella responde a su padre que conoce el nombre del extranjero "Il suo nome è ...Amor" (Su nombre es... amor). El pueblo estalla en alegría.
