第三共和政は、政治的に安定せず混乱を招いたため不人気であったが、ベル・エポックと呼ばれるパリの黄金時代を築いた。新たに立派な記念建造物や公共建築が作られ、特にパリ万国博覧会 (1889年) のために建設されたエッフェル塔はその代表的なものである。パリは芸術の中心としての名声を高め、印象派の芸術家はパリの新しい景観に着想を得た。同時に、売春宿や、有名なムーラン・ルージュなどのキャバレーが多く、「ヨーロッパの罪の都」の評も得た。1900年には、パリにメトロが開業した。
1870年にナポレオン3世はプロシアに宣戦したが敗北して、スダンで捕虜となった。これにより1870年9月4日にナポレオン3世は退位し、同日、第三共和政がパリで発足した。1870年9月19日、プロシア軍はパリを包囲し、攻撃を開始した。パリの主要な建物はフランス軍に接収され、ルーブル宮は軍事工場に、オルレアン駅は気球工場、リヨン駅は大砲工場となった。パリは1871年1月28日に降服し、フランスは敗戦後、領土割譲や賠償金による懲罰的な扱いとなった。これはパリ市民の多くにとって受け入れがたいもので、アドルフ・ティエールが結んだ講和は市民にとって裏切りに映った。同年3月18日、反乱が起き、政府軍はモンマルトルから退却した。政府はヴェルサイユで再結成したが、3月26日に社会主義共和政のパリ・コミューンがパリで樹立された。数日後、政府軍との間で激しい戦乱が勃発し、政府側はパリを少しずつ奪還していった。戦いは5月28日に終わり、双方で約4,000人〜5,000人の死者を出した。その後、パリ・コミューン側の10,000人が銃殺され、40,000人が逮捕、5,000人が国外追放された。
ナポレオンは大統領の地位には満足せず、1851年12月2日にクーデターを起こし権力を掌握して、自らを皇帝ナポレオン3世と称し、テュイルリー宮殿に居を構えた。ナポレオン3世のもとで、近代のパリが作られた。1853年にナポレオン3世はジョルジュ・オスマンをセーヌ県知事に任命し、パリの近代化を行わせた。ジョルジュ・オスマンは抜本的なパリ改造を行い、旧市街の大半を解体し、広く直線的な大通り（ブールバール）や放射状に広がる大通りのネットワークに置き換えた。ブローニュの森、ヴァンセンヌの森は、大きな公園に変わった。1869年にジョルジュ・オスマンは不祥事により辞任したが、オスマンの計画は今日のパリの都市構造、景観の多くを形作っている。
1847年7月9日に改革派の宴会が開かれると運動が拡大し、1848年1月、政府が改革派の宴会の禁止を決定した。1848年2月22日、国民衛兵や労働者や学生がデモ行進をすると、23日に国民衛兵と警察が衝突した。トルトニ付近で発砲事件が起きると（発砲した者は不明)、市民が虐殺され、暴徒が宮殿に乱入するなど暴動がはじまった。2月24日、政府の使節団は共和制を宣言し、フランス第二共和政となった。こうして1848年革命が起きた。臨時政府は労働権を宣言し、国立作業場を設置したが、ストライキと暴動が続発した。鎮圧にカヴェニャック将軍が委任されると、6月23日から26日にかけて市街戦となった。パリ大司教アフルは和解を求めたが数人の将軍たちと同様に殺害された。ルイ・フィリップはハム要塞監獄に監禁されていたがロンドンに逃れた。1848年12月10日の大統領選挙にはナポレオン・ボナパルトの甥であるナポレオン3世が立候補し、553万という圧倒的多数票を獲得して選出された。
夜が明けた蝶々さんの家。蝶々さんは寝ずの番をしていた。スズキは目覚め、子供を蝶々さんのもとへ連れて行く。スズキは憔悴した蝶々さんを休むよう説き伏せる。ピンカートンとシャープレスが登場し、スズキに恐るべき真実を告げる。しかし、ピンカートンは罪悪感によって深く打ちひしがれ、自身を恥じていた。余りに卑劣なことで自分の口から蝶々さんに告げることはできず、彼は義務を放り出して去ってしまう。このときピンカートンはアリア「さらば愛の巣」を歌う。スズキは、はじめは猛烈に怒っていたが、シャープレスから、蝶々さんが子供を渡してくれれば、ピンカートンのアメリカ人妻がその子を養育するということを聞き、説き伏せられてしまう。蝶々さんはピンカートンと会えると思い、目を輝かせて登場する。しかしピンカートンの代わりに彼のアメリカでの妻ケイト(Kate Pinkerton)と対面させられる。蝶々さんは感傷的な穏やかさをたたえつつ真実を受け止め、礼儀正しくケイトを祝福した。これで平穏が見いだされるであろうと。それから、ケイトやシャープレスにお辞儀をし、子供を渡すことを約束する。そしてスズキに家の障子を全部閉めさせ一人きりになる。障子越しに侍るスズキに対しては、「子供を外で遊ばせるように」と命じて下がらせる。蝶々さんは仏壇の前に座り、父の遺品の刀を取り出し、「名誉のために生けることかなわざりし時は、名誉のために死なん（Con onor muore chi non puo serbar vita con onore.）」の銘を読み自刃しようとするが、そこへ子供が走ってくる。蝶々さんは子供を抱きしめアリア「さよなら坊や」を歌い、子供に目隠しをし、日米の国旗を持たせる。そして、刀を喉に突き立てる。今際の際でも子供に手を伸ばす蝶々さん。そこへ異変を聞きつけたピンカートンとシャープレスが戻ってくるが、とき既に遅く、蝶々さんは息絶える。幕。