Il pittore Mario Cavaradossi sta dipingendo nella chiesa romana di Sant’Andrea della Valle.

Cesare Angelotti, console della repubblica romana soppressa dalle truppe napoletane, ed evaso da Castel Sant’Angelo, lo raggiunge chiedendo il suo aiuto. Cavaradossi gli offre rifugio, poco prima che sopraggiunga Tosca, sua amante, cantante bella e famosa, che esterna la sua gelosia per i segreti traffici del pittore.

Frattanto, fa il suo ingresso anche il capo della polizia, il barone Scarpia, sulle tracce dell’evaso, che riesce a manipolare i sospetti di Tosca per i suoi scopi. Da tempo, Scarpia desidera la bella cantante, che ora è anche la chiave per raggiungere il ricercato Angelotti.

Arrestato Cavaradossi, sospettato di nascondere il fuggiasco, ha inizio l’interrogatorio: il pittore nega, ma Scarpia lo sottopone ad una straziante tortura e Tosca, disperata, confessa per lui. Cavaradossi è imprigionato e condannato a morte.

Rimasto solo con Tosca, Scarpia la ricatta: se gli si concederà, potrà salvare Cavaradossi e lasciare Roma con il suo amato. Intanto, il poliziotto Spoletta annuncia che Angelotti ha evitato la cattura uccidendosi.

Tosca, sconvolta, chiede a Scarpia, in cambio di ciò che egli pretende, un salvacondotto per Cavaradossi e per sé. Scarpia acconsente, ma specifica che occorrerà comunque simulare la morte del condannato, con un plotone che sparerà a salve. Tosca, mentre il barone firma il salvacondotto, inorridita da ciò che si appresta a subire, impugna un coltello e lo uccide.

A Castel Sant’Angelo, Cavaradossi, in attesa di essere giustiziato, si commuove al ricordo dei giorni felici con Tosca, che giunge di lì a poco, mostrandogli il salvacondotto: ma Scarpia l’ha ingannata un’ultima volta. Il fuoco dei soldati uccide realmente Cavaradossi; Tosca, disperata, si getta nel Tevere che scorre sotto Castel Sant’Angelo.