Действие оперы начинается с побега республиканца Анжелотти из тюрьмы. Его, прячущегося в стенах часовни, случайно обнаруживает друг — художник Каварадосси. Художник отдает ему ключи от двери, ведущей к дому, а затем укрывает в своем саду от полиции. У Каварадосси есть возлюбленная — певица Флория Тоска, которая не догадывается о его поступках и из-за недомолвок начинает его ревновать. Ее ревность еще больше распаляется от подозрений жестокого шефа полиции Скарпиа, который ищет сбежавшего узника и чувствует, что тот где-то поблизости. Скарпиа преследует и другие цели: втайне он желает обладать Тоской.

Вечером он ждет ее прихода. Появляется ищейка Сполетта: ему не удалось поймать Анжелотти, но он арестовал Каварадосси, который не хочет ни в чем признаваться. Когда Тоска входит в комнату, Каварадосси просит ее ничего не говорить. Скарпиа приказывает подвергнуть упрямца пытке в соседней комнате. Слыша крики Каварадосси, Тоска выдает укрытие Анжелотти. Внимая мольбе Тоски о прощении, Скарпиа говорит, что расстрел станет фикцией, если она отдастся ему. В отчаянии Тоска соглашается, но, как только он выписывает ей и Каварадосси пропуск, она убивает Скарпиа столовым ножом.