유명한 여가수인 플로리아 토스카는 화가 마리오 카바라도시의 애인이다. 어느 날 성당에서 제단화를 작업하던 카바라도시는 탈옥한 정치범 체사레 안젤로티를 만난다. 카바라도시는 그가 이전 로마국 영사임을 알아보고 그를 숨겨주려 한다. 경찰국장 스카르피아는 안젤로티를 체포하기 위해 부하들과 함께 성당을 수색한다. 그 때 성당으로 들어오는 토스카를 보고 스카르피아는 그녀를 미끼로 이용하기로 결심한다. 카라바도시를 붙잡는데 성공한 스카르피아는 그를 심문한다. 카라바도시는 대답을 완강히 거부하고 고문실로 끌려가게 된다. 토스카는 옆방에서 카바라도시의 비명소리를 듣고 결국 안젤로티가 숨어있는 곳을 실토한다. 풀려난 카바라도시는 토스카의 배신을 알고 그녀를 질책한다. 스카르피아는 카라바도시에게 사형선고를 내린다. 토스카는 카바라도시의 목숨을 구하려고 스카르피아에게 애원하고 스카르피아는 그 대가로 그녀의 육체를 요구한다. 토스카는 카라바도시와 이탈리아를 떠나게 해준다는 조건으로 스카르피아의 청을 들어주겠다고 한다. 그리고 스카르피아가 거짓 사형집행을 내리고 다가오자 토스카는 칼로 그를 찌른다. 토스카는 카라바도시를 찾아가 자초지종을 이야기하며 거짓 사형을 당하게 될 것이라 말해준다. 곧 사형이 집행되고 총성이 울린 후에도 카바라도시는 움직이지 않는다. 토스카는 자신이 속았음을 알게 된다. 그 때 칼에 찔린 채 죽은 스카르피아를 발견한 그의 부하들이 토스카를 잡으러 오고 토스카는 성벽 아래로 몸을 던진다.