Действие I
Из государственной тюрьмы бежал политический заключённый Чезаре Анджелотти. Он лихорадочно ищет одежду, оставленную ему сестрой, графиней Аттаванти, и скрывается. Приходит полицейский Шарроне, член подразделения, во главе которого стоит могущественный шеф полиции Скарпиа. Шарроне видит мольберт художника Каварадосси, но самого художника нет. Когда появляется Каварадосси, Шарроне спрашивает, что это за прекрасная и неземная женщина изображена на картине. Каварадосси с энтузиазмом описывает отличия между незнакомкой на картине и своей возлюбленной, певицей Флорией Тоской.
Возвращается Анджелотти. Он узнаёт своего друга Каварадосси и рассказывает ему о своём заключении и побеге. Каварадосси в порыве чувств обещает помочь. Появляется Тоска, и Анджелотти снова вынужден спрятаться. Певица полна подозрений: она пришла к своему любовнику, но ей показалось, что она слышала голоса. Тоска предлагает Каварадосси встретиться вечером, после выступления, у него на загородной вилле. Вдруг она замечает написанный Каварадосси портрет неизвестной женщины. Художник клянётся, что любит только Тоску, но говорит, что у него работа, и выпроваживает ревнивую певицу. Тем временем побег Анджелотти обнаружен. Каварадосси говорит, что у него на вилле есть колодец, где можно надёжно спрятаться, и уходит вместе с Анджелотти.
Шарроне объявляет о неожиданной победе над войсками оккупантов. Подручные шефа полиции встречают новость с восторгом.
Празднование победы прервано явлением самого шефа Скарпиа с агентом Сполеттой. Скарпиа разыскивает беглеца Анджелотти, и Шарроне показывает найденную женскую одежду. Скарпиа узнаёт изображённую на портрете женщину и делает вывод, что Анджелотти получил помощь от Каварадосси. Снова приходит Тоска и с удивлением обнаруживает, что её любовника нет. Скарпиа показывает ей женскую одежду, чтобы вызвать ревность к графине Аттаванти. Разгневанная Тоска спешит на виллу Каварадосси, чтобы застать предполагаемых любовников врасплох. Полицейские незаметно следуют за ней.
Действие II
Скарпиа ждёт известия об аресте Анджелотти и Каварадосси, а также размышляет о любви, которая для него неизменно сопряжена с насилием. Он представляет себе, как избавится от Каварадосси и завладеет Тоской. Слышно пение Тоски. Скарпиа посылает ей записку с приглашением. Возвращается Сполетта и докладывает, что Каварадосси арестован, но Анджелотти – нет. Приводят художника. Скарпиа допрашивает его, чтобы узнать, где прячется Анджелотти, но поначалу безуспешно. Когда приходит Тоска, художнику удаётся предупредить её, чтобы она молчала.
Скарпиа отправляет Каварадосси на пытку и снова старается пробудить в Тоске ревность к графине Аттаванти, но на этот раз его слова не производят впечатления. Однако когда Тоску вынуждают слушать крики и стоны художника, она не выдерживает и раскрывает местонахождение Анджелотти. Скарпиа приказывает прекратить пытку и привести пленника. Узнав, что возлюбленная его выдала, Каварадосси в отчаянии проклинает её.
Приходит известие, что оккупационные войска выиграли сражение. Каварадосси ликует и предсказывает падение диктатора. Его уводят. Скарпиа остаётся наедине с Тоской. Та презрительно спрашивает, чего он хочет в обмен на жизнь Каварадосси. Скарпиа требует, чтобы она отдалась ему, Тоска с негодованием отказывается. Но Скарпиа говорит, что приготовления к казни уже начаты. Появляется Сполетта и сообщает, что Анджелотти при аресте покончил с собой. Скарпиа в последний раз повторяет Тоске своё требование, и она наконец кивает в знак согласия.
Шеф полиции затем приказывает казнить Каварадосси с условием, что казнь, как в случае другого арестованного, будет притворной, так как открыто помиловать его нельзя. Тоска требует пропуск для себя и Каварадосси, чтобы они смогли уехать из страны. Когда Скарпиа отходит выписать пропуск, Тоска хватает нож и вонзает барону в грудь.
Действие III
Каварадосси ждёт казни. Он отказывается от исповедника и просит вместо этого разрешить ему написать прощальное письмо своей любимой. Художник пишет письмо и вспоминает их былые любовные свидания. Появляется Тоска, рассказывает, что произошло, и показывает пропуск. Она говорит Каварадосси, чтобы он хорошо сыграл свою роль на притворной казни, и влюблённые мечтают о счастливом совместном будущем. Расстрельный взвод даёт залп, Каварадосси падает. К своему ужасу, Тоска обнаруживает, что его расстреляли по-настоящему: Скарпиа обманул её. Тем временем тело шефа полиции находят. Врываются его подчинённые. В финале все погибают.