A történet Rómában játszódik, 1880-ban. Angelotti, Róma volt kormányzója, akit az Angyalvárban tartottak fogva, elszökött, s a Szent András templomban keres menedéket a családi kápolnában, melynek kulcsát nõvére a Madonna-szobor alá rejtette. Megtalálja a kulcsot, s sietve elrejtõzik. Épp jókor, mert lépések hangja közeledik a templomban: a sekrestyés csoszog be, hogy elõkészítse Cavaradossinak, a festõnek a szerszámait. Hamarosan megérkezik a festõ is, és nekilát dolgozni legújabb festményén, mely az imádkozó Madonnát ábrázolja - egy ismeretlen, szõke asszony ihlette ezt a képet. A festõ azonban olyan csendben dolgozik, hogy Angelotti azt hiszi, a templom üres és elõjön rejtekhelyérõl. Mikor megpillantja Cavaradossit, elõször borzasztóan megrémül, de aztán régi barátját, harcostársát ismeri fel benne, s beszélgetni kezdenek. Ám közben érkezik Tosca is, Cavaradossi kedvese, s Angelottinak újra el kell rejtõznie. Tosca látja a zavarodottságot kedvese arcán, s nem tudja mire vélni. Mivel suttogást hallott, azt hiszi, azt a szép szõke nõt rejtegeti itt valahol Cavaradossi, aki a képen is felismerhetõ. De a festõ megnyugtatja õt, s Tosca nemsokára távozik. A szökevény újra elõbújhat, s folytathatják a beszélgetést.

Cavaradossi felajánlja barátjának, hogy rejtõzzön el az õ nyaralójában, s ha ott is keresnék, bújjon el a kútban. Az átszökéssel igyekezni kell, mert már városszerte keresik. Így maga kíséri el tüstént barátját, hogy biztonságban tudhassa.

Alig hogy távoznak, a rendõrfõnök, Scarpia báró megjelenik a templomban, hisz a nyomok ide vezettek. Talál is bizonyítékokat arra, hogy Angelotti megfordult itt, így Cavaradossi is azonnal gyanúba kerül, sõt: a készülõ festmény Madonnájában a rendõrfõnök Angelotti nõvérét véli felismerni, s fejében már össze is áll a kép: a festõ s a szõke szép hölgy volt segítségére Angelottinak a szökésben. Ekkor Tosca is a templomba érkezik, mert beszélni akart kedvesével. Helyette azonban a rendõrfõnököt találja itt, aki meg is ragadja az alkalmat, hogy csak tovább szítsa az asszony szívében amúgy is ébredezõ féltékenységet. Ebben kettõs cél vezeti: hogy Toscán keresztül elkaphassa a szökevényt s a szabadságharcos festõt; s hogy a szép Toscát is végre megszerezze magának.

Tosca és a rendõrfõnök, Scarpia hamarosan újra találkoznak a palota kápolnájában. Itt a kormány tart épp gyõzelmi ünnepséget arra a hírre, hogy Napoleon vereséget szenvedett. Az ünnepségen Tosca is részt vesz, mint énekesnõ. A rendõrfõnök levélben értesítette õt, hogy szereplése után feltétlenül keresse fel.

Mindeközben Scarpia emberei átkutatták Cavaradossi nyaralóját, ahol Angelottit nem sikerült megtalálniuk, viszont magukkal hozták a festõt. Ekkor érkezik meg Tosca is. Szerelme szemébõl rögtön kiolvassa a kérést: ne áruljon el semmit Scarpiának! Ám Scarpia kínzókamrába veti a festõt, s Tosca - szerelme egyre gyötrelmesebb kiáltásait hallva - megtörik, s elárulja a titkos búvóhelyet a nyaralóban. Cavaradossi hát megszabadul a kínzástól, de mikor megtudja, hogy ez Tosca árulásának köszönhetõ, felháborodva taszítja el magától kedvesét.

Ekkor váratlanul egy hírnök érkezi a hírrel, hogy Napoleon gyõzött az osztrák hadak felett. A hírre a festõ boldogan kiáltja el magát, s ezzel végleg elárulja magát a rendõrfõnök elõtt. Scarpia börtönbe veti, s másnap reggeli kivégzést rendel el.

Tosca kétségbe esik, de mindent megpróbál szerelme megmentéséért. Mikor megkérdezi Scarpiát, mennyi pénzért hajlandó elengedni Cavaradossit, az nyíltan így válaszol: "Úgy? Hát eladónak hitt? Jó, de hát az ilyen bájos asszony nem pénzen vesz meg engem!" Tosca elõtt világos hát a választás: kedvese vagy meghal, vagy elfogadja a zsarnok becstelen ajánlatát, s megmenti szerelme életét. Mi mást választhatna, mint az utóbbit?

Scarpia azonban nem engedi szabadon tüstént a festõt. Elhiteti Toscával, hogy, ha az övé lesz, másnap a kivégzõosztag vaktöltényt fog csak használni, Cavaradossinak csak el kell majd játszania, mintha meghalna. Tosca gyanútlanul hisz neki. Fõleg, hogy Scarpia még útlevelet is hajlandó kiállítani kettejük számára.

Ám mialatt Scarpia az útlevelet írja, Tosca magához vesz egy asztalon heverõ kést, s mikor a az végzett a papírok megírásával s - egyezségük szerint - szerelmesen közeledni akar felé, leszúrja a férfit. Tosca az útlevelekkel a kezében azonnal menekül, fut Cavaradossihoz a jó hírrel.

Már hajnalodik, a festõ a kivégzésére készül, mikor végre beszélni tudnak. Tosca boldogan újságolja neki a hírt: Scarpiát megölte, az útlevelek itt vannak a kezében, a kivégzéskor csak vaktöltényt fognak használni. Javasolja kedvesének, hogy tegyen úgy a lövések eldördülésekor, mintha holtan rogyna össze, s majd, ha tiszta lesz a terep, elszöknek.

Kezdõdik a kivégzés, feláll a kivégzõosztag. Tosca egy oszlop mögül figyeli az egészet. Eldördülnek a fegyverek. Cavaradossi a földre zuhan. A katonák eltávoznak. Tosca azonnal szerelméhez rohan, s halkan szólítgatni kezdi. Ekkor eszmél csak rá, hogy becsapták mindkettõjüket: Cavaradossi halott...

Közben megtalálják Scarpia holttestét s nagy zajjal keresni kezdik a gyilkost. Tosca nem várja meg, míg rátalálnak: föllép a várfalra, s onnan leveti magát.