Første bilde: Turandot truer en rekke mennesker med døden hvis de ikke klarer å skaffe fram navnet på den ukjente. De tre ministrene prøver også å få rede på Calafs navn, til gjengjeld skal de hjelpe ham med å flykte. Men Calaf ønsker ikke dette. Timur og Liù føres inn. Liù sier at hun er den eneste som kjenner navnet. Hun pines og tortureres for å røpe navnet, men hun holder stand. På spørsmål om hva som gir henne slik styrke svarer hun: Kjærligheten! Når bødlene kommer for å fortsette piningen, river hun til seg en dolk og tar sitt eget liv. Hun bæres ut – bare Turandot og Calaf blir igjen. Han kysser henne trass i hennes motstand, og hun tilstår at hun elsker ham. Calaf framfører arien «Nessun dorma» («Ingen må sove») – en av de mest kjente italienske operaarier. Calaf røper navnet sitt, og hovmodet blusser opp i Turandot igjen. Enda en gang har hun hans liv i sin hånd.