Все исторические события и места действия в опере – подлинные.

Предыстория:

С 1796 года Наполеон ведет войны с государствами раздробленной Италии. В 1798 году он завоевывает Папскую область со столицей в Риме и устанавливает там республику. В 1799 году армия Неаполитанского королевства выдворяет французов из Рима и сама оккупирует его. В мае 1800 года Наполеон возвращается в Италию, чтобы взять реванш. 14 июня он вступает в бой с главными союзниками Неаполя, австрийцами, близ североитальянского города Маренго. Австрийский главнокомандующий Мелас уверен, что побеждает…

Действие первое
Церковь Сант-Андреа-делла-Валле
Анджелотти, бывший консул римской республики, бежит из тюрьмы и ищет убежище в римской церкви Сант-Андреа. Там его сестра, маркиза Аттаванти, оставила для него ключ от семейной капеллы. Едва он прячется, как входит ризничий, который приносит еду для художника Марио Каварадосси, который пишет образ Девы Марии. За ризничим появляется сам Марио и приступает к работе. Ризничему бросается в глаза сходство Богоматери с одной из прихожанок. Каварадосси признает, что зарисовал лицо с натуры, пока молодая женщина была погружена в молитву. После ухода Ризничего из капеллы осторожно показывается Анджелотти. Он доверяет вольнодумцу-художнику, а потому просит у него помощи. Каварадосси ненавидит начальника полиции Скарпиа, который преследует Анджелотти, и обещает помочь. Из-за дверей церкви звучит голос Флории Тоски, певицы, возлюбленной Каварадосси, и Анджелотти снова прячется. Тоска входит, она полна ревнивых подозрений: почему двери заперты, с кем Каварадосси разговаривал? Едва Марио успокаивает возлюбленную, как та замечает его роспись и узнает оригинал: в облике Марии изображена маркиза Аттаванти! В итоге влюбленные все равно мирятся и договариваются провести вечер вместе на загородной вилле Каварадосси. Флория уходит. Каварадосси вместе с Анджелотти также покидают церковь – художник решил спрятать друга у себя дома.
Появляется ризничий с известием о поражении Наполеона при Маренго. В церкви готовятся к торжественному богослужению. Появляется полиция во главе с бароном Скарпиа. Он вычисляет, что Анджелотти прятался здесь, и что Каварадосси – его сообщник. Одна из улик – веер с гербом Аттаванти, найденный в часовне. Сопоставив находку с портретом маркизы на росписи работы Каварадосси, Скарпиа провоцирует ревность Тоски, чтобы та вывела полицию на след Каварадосси и Анджелотти. Барон мечтает расправиться с художником и заполучить Тоску для себя.

Действие второе
Дворец Фарнезе
В кабинете Скарпиа продолжает свою интригу: письмом вызывает Тоску к себе. А тут и его помощник Сполетта докладывает: Тоска вывела сыщиков к Каварадосси, и тот схвачен, но Анджелотти найти не удалось. Скарпиа начинает допрашивать Каварадосси, а в это время в другом помещении дворца Тоска поет кантату в честь победы над Наполеоном.
Каварадосси все отрицает, и когда Тоска приходит в кабинет, Скарпиа демонстративно отправляет художника в камеру пыток. Тот велит Тоске молчать, но она не выдерживает криков возлюбленного и
выдает убежище Анджелотти – он прячется в садовом колодце. Измученного Каварадосси выводят из камеры, и он понимает, что тайна раскрыта. Художник проклинает Тоску.
Барону приносят известие: при Маренго всё же победил Наполеон. Каварадосси ликует. Скарпиа отдает приказ казнить его на следующее же утро. Его уводят в тюрьму. Наедине с Тоской барон предлагает ей расплатиться собой за жизнь Каварадосси. Мольбы напрасны, и Флория соглашается.
Скарпиа убеждает ее, что должен создать видимость казни, и обещает, что художника расстреляют холостыми патронами. Он отдает распоряжение Сполетте, добавляя условную фразу. Тоска тянет время и просит выписать им с Каварадосси пропуск, чтобы покинуть Рим. Пока Скарпиа пишет, Тоска замечает в кабинете нож. Когда Скарпиа приближается, чтобы получить плату, Тоска наносит ему удар. Он умирает. Певица забирает пропуск и выскальзывает из дворца.

Действие третье
Замок Сант-Анджело
Каварадосси в тюрьме ждет казни. И даже здесь он остается художником – на кусочке бумаги рисует углем сына тюремщика. Неожиданно появляется Тоска. Она рассказывает о смерти Скарпиа и сообщает возлюбленному, что казнь будет мнимой. Марио лишь должен получше притвориться, чтобы солдаты ничего не заподозрили, а потом они смогут бежать из Рима и будут жить долго и счастливо.
Появляются солдаты. Выстрелы, Марио падает. Только теперь Тоска понимает, что Скарпиа обманул ее: патроны были настоящими, Каварадосси мертв. Обезумевшая от горя женщина бросается с крыши замка вниз.