Действие первое
Церковь Сант-Андреа в Риме. Здесь ищет спасения бежавший из заключения консул Римской республики, ныне политический преступник Чезаре Анджелотти. Он нашёл тайное прибежище в капелле своей сестры, маркизы Аттаванти. Художник Марио Каварадосси пишет изображение Марии Магдалины. Ризничий возмущён, что она становится похожей на маркизу Аттаванти. После ухода ризничего появляется Анджелотти. Он просит художника о помощи. Неожиданное появление знаменитой певицы и возлюбленной художника, Флории Тоски, заставляет Анджелотти незаметно скрыться. Он исчезает, прихватив корзинку с едой, предложенную ему Каварадосси. Изображение Магдалины, в котором Тоска также находит сходство с маркизой, вызывает у неё ревность. Каварадосси успокаивает возлюбленную. Тоска уходит. Выстрел пушки из замка Сант-Анджело возвещает о бегстве политического заключённого. Каварадосси решает помочь Анджелотти и спрятать его у себя в загородном доме. Церковь наполняется певчими во главе с ризничим, объявляющим радостную весть: вечером состоится празднование по случаю победы над Наполеоном. Будет петь сама Тоска!
В разгар радостного ликования в церкви появляется шеф тайной полиции Рима барон Скарпиа в сопровождении полицейских агентов Сполетты и Шарроне. Они ищут Анджелотти и обнаруживают следы беглеца в капелле Аттаванти. Увидев возвратившуюся в церковь Тоску, Скарпиа решает использовать её в своей коварной игре. Указывая на сходство Магдалины с Аттаванти, на забытый веер и на отсутствие художника в церкви, Скарпиа искусно разжигает ревность Тоски. Она в гневе выбегает из церкви. Шеф полиции посылает вслед за ней полицейского агента в надежде, что Тоска приведёт их к тайному убежищу Анджелотти.
В церкви начинается служба в честь победы над Наполеоном.
Действие второе
Палаццо Фарнезе. Кабинет Скарпиа. Шеф полиции посылает записку Тоске с приглашением прийти к нему после мессы. Ожидания шефа полиции оправдались. Следивший за Тоской агент обнаружил Каварадосси и арестовал его, но Анджелотти найти не удалось. Скарпиа допрашивает Каварадосси. Появляется Тоска. Каварадосси просит её не раскрывать тайну. Скарпиа надеется пытками вырвать у художника признание. Каварадосси уводят. Страдания любимого вынуждают Тоску открыть секрет тайника в саду. По приказу Скарпиа вводят измученного Каварадосси. Из распоряжений шефа полиции художник понимает, что тайна раскрыта. Каварадосси в отчаянии.
Появляется Шарроне. Он сообщает страшную для Скарпиа новость — известие о победе оказалось ложным. Наполеон победил в битве при Маренго и теперь направляется к Риму. Скарпиа назначает на утро казнь художника. Тоска умоляет пощадить Каварадосси. Шеф полиции, давно мечтавший о любви Тоски, ставит условие: Каварадосси будет спасён, если Тоска согласится принадлежать ему. Он обещает, что расстрел Каварадосси будет произведён холостыми патронами, и после мнимой казни художник сможет покинуть Рим. Тоска не догадывается об обмане и соглашается на его условия. Оставшись наедине с шефом полиции, Флория в отчаянии выхватывает клинок Скарпиа и вонзает ему в грудь. Скарпиа мёртв. Тоска покидает дворец.
Действие третье
Верхняя площадка замка Сант-Анджело. Здесь ждёт расстрела Марио Каварадосси. Вбегает Тоска. Она предупреждает любимого, что казнь будет мнимой. Появляются солдаты. Раздаётся оружейный залп — и Марио падает. Тщетно взывает к нему Тоска: расстрел оказался настоящим. Врываются жандармы, обнаружившие, что Скарпиа убит. Тоска бросается вниз с высокой крепостной стены.