Дія перша

Анджелотті, республіканець, який втік з ув'язнення, знаходить притулок у римській церкві
Сант-Андреа делла Валле. Він ховається в капелі Аттаванті, ключ від якої під статуєю Мадонни залишила його сестра, маркіза Аттаванті. Не зауважуючи втікача, до церкви входить ризничий, який приносить їжу для працюючого тут художника Маріо Каварадоссі. За ризничим з'являється сам Маріо: картина з образом Марії Магдалини закінчена лише наполовину. Каварадоссі співає арію "Recondia armonia", де порівнює вигляд своєї коханої, співачки Флорії Тоски, з рисами святої. Ризничий залишає Маріо. Анджелотті, думаючи, що в церкві нікого немає, виходить із капели і зустрічає Каварадоссі, свого старого друга. їх бесіда перервана стуком у двері: Флорія Тоска вимагає, щоб їй відчинили. Анджелотті знову ховається. Входить Тоска. Ревнивій красуні здається, що на портреті Маріо зобразив її суперницю. Каварадоссі заспокоює її підозри, і вони домовляються зустрітися ввечері у нього, після того. як Тоска виступить у Палаці Фарнезе. Флорія йде. Каварадоссі разом з Анджелотті також залишають церкву - художник вирішив сховати друга у себе вдома.

У цей час у Рим приходить звістка про поразку Наполеона на півночі Італії. З цієї нагоди у церкві готуються до урочистого богослужіння. З'являється Скарпіа. шеф поліції, закоханий у Тоску. Разом з нишпоркою Сполеттою він виявив докази того, що Анджелотті ховається тут. Один із доказів - віяло з гербом Аттаванті, який Скарпіа використав, щоб розбудити ревниві підозри Тоски.

Під чає богослужіння до церкви входить безліч людей. Поки на честь перемоги над  Наполеоном звучить Те Deum, Скарпіа залишається в церкві. Він цілком поглинений підступним планом відправити свого суперника Каварадоссі на ешафот.

 Дія друга

Палац Фарнезе. У цей же вечір тут святкують перемогу над французами. Скарпіа у своєму кабінеті чує віддалені звуки музики і розмірковує про те, що трапилося за день. З жандармом Ск'ярроне він посилає записку Тосці. Сполетта обшукав будинок Каварадоссі, не знайшов там Анджелотті, але застав там Тоску. Каварадоссі арештований і приведений до палацу. Його допит пройшов безрезультатно. З'являється Тоска і Каварадоссі встигає таємно сказати їй. що повинна мовчати про те, що бачила у нього вдома. Скарпіа відправляє художника в камеру тортур.

Скарпіа допитує Тоску. Вона спокійна, але лише до тієї хвилини, поки не чує з камери крики катованого Каварадоссі. У відчаї вона видає притулок Анджелотті - він ховається в садовому колодязі. Каварадоссі знову приводять у кабінет Скарпіа. Він розуміє, що Тоска все розповіла. Несподівано приходить звістка про перемогу Наполеона під Маренго. Каварадоссі не приховує своєї радості. Скарпіа віддає наказ стратити його наступного ж ранку.

Заради порятунку коханого Тоска погоджується принести себе в жертву. Скарпіа переконує її. що має створити видимість приготувань до страти Каварадоссі. Він віддає Сполетто необхідні розпорядження і одночасно виписує перепустку для Тоски і художника, щоб вони могли втекти з Риму. Проте коли Скарпіа хоче її обійняти, Тоска завдає йому удару кинджалом. Вона спішно залишає палац, несучи з собою перепустку.

 Дія третя

Площа в'язниці Сант-Анджело. Каварадоссі виводять на тюремний дах. Тут він буде страчений. Він пише останній лист Тосці. Звучить арія Каварадоссі "E lucevan le stelle".  Несподівано з'являється Флорія. Вона розповідає про вбивство Скарпіа, показує коханому перепустку і повідомляє йому, що страта буде не справжньою. Флорія і Маріо впевнені, що вони врятовані.

З'являються солдати на чолі зі Сполетто. Каварадоссі спокійно встає перед ними. Постріли, Маріо падає, солдати відходять. Тільки тепер Тоска розуміє, що вона була обманута Скарпіа патрони були справжніми, і Каварадоссі мертвий. В горі жінка не чує, що солдати повернулися. Смерть Скарпіа виявлена, Сполетта намагається затримати Тоску. Вона кидається з даху замку вниз.