1. Зал одной из церквей в Риме. Появляется человек, одетый в лохмотья. Это Анджелотти, узник, который сбежал из тюрьмы. Он был осуждён по политическим мотивам. Анджелотти решил спрятаться в церкви. Его сестра, маркиза Аттаванти, оставила ему одежду, чтобы брат мог переодеться. Анджелотти ищет ключ под статуей. Найдя его, он поспешно прячется в капелле.
Входит художник – Марио Каварадосси. Он подходит к своему мольберту, на котором стоит неоконченная картина. Марио считает, что лицо, которое он рисует, напоминает его возлюбленную, знаменитую певицу по имени Флория Тоска.
Вскоре из укрытия выглядывает Анджелотти, решив, что церковь опустела. Художник обнаруживает его, с удивлением узнав в нём своего давнего знакомого. Он обещает помочь несчастному. Но тут раздаётся стук в дверь, и беглец прячется. Входит Флория Тоска.
Прекрасная женщина смотрит на работу своего возлюбленного, и ревниво спрашивает, чей образ послужил ему вдохновением. Но Каварадосси убеждает её в своей любви. Они договариваются увидеться после вечернего спектакля, в котором поёт Тоска.
Женщина уходит, и Анджелотти снова появляется. Его уводит с собой художник.
2. Из крепости слышится звук пушечного выстрела – это знак о том, что один из узников сбежал. Этот узник – Анджелотти, и теперь его ищет полиция.
Церковь наполняется людьми, а вскоре в толпе оказывается Скарпиа – полицейский начальник, со своими помощниками. Они ищут беглого узника, заглядывая в лица людей. Помощник полицейского начальника – Сполетта, обнаруживает следы пребывания узника. Скарпиа придумал хитроумный план: отправить Каварадосси на казнь, как пособника преступника, и самому стать любовником Флории Тоски.
3. Во дворце Фарнезе вечером того же дня отмечают победу. Скарпиа слышит музыку оттуда, сидя у себя в кабинете. Он приказывает отнести записку Тоске. Одновременно ему докладывают, что обыскали дом Каварадосси, но беглеца не обнаружили, и арестовали самого художника.
Его приводят в кабинет шефа Скарпиа, и тот начинает допрос.
После этого появляется сама Тоска. Сыщик, вне себя от ревности, отправляет художника в камеру пыток. Но перед уходом тот шепнул возлюбленной, что не признался ни в чём.
Скарпиа начинает допрос женщины. Вскоре из камеры пыток слышатся крики Каварадосси. Тоска не выдерживает, и говорит сыщику, что Анджелотти прячется в колодце, в саду. Тут же приводят избитого Каварадосси. Он понимает, что любимая выдала его друга. Скарпиа приказывает посадить его в тюрьму, чтобы наутро казнить. После того, как увели художника, он предлагает Флории отдаться ему, в обмен на жизнь Марио. Она отказывает ему, но сыщик угрожает немедленно казнить её любимого. Тогда Тоска уступает.
Скарпиа говорит, что расстрел будет произведён холостыми пулями. Он пишет для неё сопроводительное письмо, чтобы она и Марио покинули Рим. Женщина незаметно прячет кинжал, и когда сыщик, сделав распоряжения, пытается обнять её, убивает его.
Забрав письмо, Тоска спешит к своему любимому, чтобы бежать с ним вместе из города.
4. На сцене – площадка на башне. Здесь должна была состояться казнь художника. Раннее утро перед казнью, и Марио Каварадосси пишет последнее письмо возлюбленной. Появляется сама Тоска, и радостно объявляет ему, что казнь будет ненастоящей, и всё готово к тому, чтобы они вдвоём уехали из Рима.
Появляются солдаты, которые должны произвести казнь. Тоска прячется за колонну. Раздаётся выстрел, и художник падает. Когда они уходят, женщина подбегает к любимому и окликает его. Но он мёртв. Тоска понимает, что сыщик её обманул. Возвращаются солдаты, которые нашли убитого Скарпиа. Тоска, не дожидаясь ареста, прыгает с крыши вниз.
