Tosca é uma ópera em três atos que conta a trágica história de amor de Floria Tosca, uma famosa contora de ópera, e seu amante, o pintor Mário Cavaradossi. A história se passa na Roma de 1800 e tem como pano de fundo as guerras nopoleônicas e a revolução, fazendo com que o enredo seja também uma história de mentiras, vingança, crueldade e morte.

No primeiro ato Angelotti, um ex-cônsul e prisioneiro político, que acabara de fugir do Castelo de Sant'Angelo, entra correndo e ofegante numa igreja para pegar uma chave que sua irmã, a Marquesa Attavanti, que está ajudando em sua fuga, havia escondido atrás do altar um dia antes. Chega Cavaradossi, que está pintando um retrato de Maria Madalena, e canta enquanto trabalha. Angelotti e Cavaradossi, que são amigos e revolucionários, se encontram. Cavaradossi entrega a ele um cesto com comidas e manda que ele se esconda porque Tosca acabara de entrar na igreja. Quando Tosca vê o quadro que está sendo pintado pelo amante e percebe que o rosto de Madalena tem as feições da Marquesa Attavanti, ela é tomada pelo ciúme.

Um tiro de canhão se faz ouvir para anunciar a fuga de Angelotti. Ele e Cavaradossi saem correndo da igreja, mas na fuga Angelotti deixa cair um leque que pertence a sua irmã, a Marquesa Attavanti. Chega o chefe de polícia Scarpia, com vários policiais, para interrogar o sacristão e saber se o fugitivo está escondido na igreja. Neste momento entra Tosca na igreja para avisar a Mário que não poderá estar com ele a noite. Scarpia a cumprimenta e insinua que Mário é amante de Attavanti e lhe mostra o leque como prova. Tosca, cheia de ciúmes, sai da igreja que começa a se encher de fiéis que cantam um hino para celebrar a vitória sobre Napoleão.

No segundo ato Spoletta chega com a notícia de que Angelotti não foi encontrado, mas que Mário Cavaradossi foi preso. Scarpia interroga Mário que insiste não saber onde está Angelotti. Tosca entra e corre para abraçar Mário. Scarpia ordena que Mário seja torturado. Os gritos de Mário faz com que Tosca revele onde Angelotti está escondido. O corpo de Mário, ferido e desmaiado, é colocado sobre o divã da sala. Tosca o abraça e beija e ele acorda. Nesse momento um policial entra e anuncia a vitória de Napoleão na batalha de Marengo (a notícia anterior era falsa). Cavaradossi grita: vitória! vitória! e canta um hino em louvor a vitória de Napoleão.

Scarpia fica com ódio e diz que Mário é um homem morto e ordena que o levem. Scarpia fica a sós com Tosca e tenta seduzí-la. Entra um guarda e anuncia que Angelotti se suicidou e que o patíbulo para execução de Mário está pronto. Tosca declara que se entregará aos desejos de Scarpia desde que ele dê um salvo conduto para que ela e Mário fujam do país. Ele diz concordar e dá a ordem de que a execução de Mário seja simulada. Ele se levanta da cadeira e é assassinado com facadas por Tosca que pega o salvo conduto sobre a mesa e sai.

No terceiro ato aparece Mário pronto para a execução. Tosca entra, o abraça e beija, conta que matou Scarpia e diz que ele terá que fingir que morre. Ela se impressiona com a encenação de Mário mas quando vai até ele e percebe que o mesmo está morto de verdade se desespera e solta um grito. Nesse momento os guardas correm atrás de Tosca porque descobriram o corpo de Scarpia. Tosca foge e quando se vê encurralada pelos guardas ela salta para a morte do alto da torre do Castelo de Sant'Angelo.