传令官宣读圣旨——任何王室子弟若能猜中三个谜语即可迎娶图兰朵公主，猜错则在月升时斩首。流亡王子卡拉夫在人群中与失明的父王帖木儿及忠心女奴柳儿重逢。当年轻俊美的波斯王子被押往刑场、图兰朵如冷月般现身露台下令行刑时，卡拉夫瞬间被其绝世容颜摄魂，奔向铜锣。柳儿跪地泣求他珍惜性命（《主人，请听我说！》）；卡拉夫温柔地安慰她并托付老父（《别哭泣，柳儿》），随后奋力敲响铜锣三声。 在文武百官、智者与老皇帝面前，图兰朵公主登上丹陛，道出她斩杀求婚者的缘由（《在这座王宫里》）：几千年前，她的先祖罗玲公主在这座宫殿中惨遭异族征服者掳掠杀害，图兰朵立誓向天下男子复仇，绝不让任何男人占有自己！随后她向卡拉夫连出三谜：一、每晚诞生又在黎明消逝的幻影（**希望 / La Speranza**）；二、当你梦想征服时如火焰般沸腾的赤流（**热血 / Il Sangue**）；三、点燃你熊熊烈火的坚冰（**图兰朵！**）。卡拉夫连破三谜后，见图兰朵惊恐绝望，便慷慨反出一谜：若她能在黎明前查出他的真名，他愿在日出时引颈受戮！ 图兰朵下达死令：倘若天亮前查不出无名王子的真名，全城百姓格杀勿论，今夜北京无人准许入睡。独自置身御花园的卡拉夫听着远处的传令声，唱出千古绝唱《今夜无人入睡！》（Nessun dorma!），坚信黎明时自己的吻定能融化公主的冰心（“黎明时我将获胜！”）。突然，卫兵押上在第一幕中曾与卡拉夫交谈的帖木儿与柳儿。当图兰朵逼问柳儿究竟是什么赋予她抵御酷刑的力量时，柳儿回答“是爱情！”，并唱出催人泪下的绝命曲《你那颗冰冷的心》（Tu che di gel sei cinta），预言图兰朵终将爱上卡拉夫，随后夺过士兵短剑自刎殉情——普契尼的亲笔手稿正是在此处戛然而止。
历史背景注：1924年11月29日，普契尼在布鲁塞尔病逝，柳儿自刎之后的终幕二重唱仅留下36页手稿草图。1926年4月25日米兰斯卡拉歌剧院世界首演当晚，指挥大师托斯卡尼尼在演完柳儿之死后突然停下乐队，放下指挥棒转身面向观众宣布：“歌剧到此结束，因为大师写到这里就去世了”（Qui finisce l'opera, perché a questo punto il Maestro è morto）。此后演出通常采用弗兰科·阿尔法诺（Franco Alfano）续完的结尾。