第二幕第一场，幕间剧。大帷幕上有各种装饰，平、彭、潘3人各带随从上场，平唱《命运的铜锣在圣殿响起》，3人唱中国风味的三重唱，他们计算为破谜处死的已有13人，反对参与这残酷的游戏。后面又传出《磨利斧子》的合唱，3位大臣哇庆祝婚礼的《为她铺上柔软的被子》，据说此旋律采自中国皇帝去寺庙礼佛时的音乐。喧闹起，3人说又有人要被斩首，以进行曲节奏换场。第二场，皇宫前广场。8位官员拿着写着图兰朵谜题与答案的案卷，众人交头接耳，3位大臣也上场，年老的皇帝坐在最高层宝座上。卡拉富站在阶下，帕木尔与柳儿则在围观群众中，百姓跪伏在地，齐声赞颂皇帝。皇帝劝说卡拉富取消求婚，卡拉富拒绝。进行曲声中，侍女们在台阶上撒下鲜花，台后传来童声之歌，图兰朵登场。她微视卡拉富后，以威严的口气唱咏吧调《过去的故事》（In questa Reggia），叙述她祖母遭入侵的鞑靼人俘虏凌辱后悲惨地死去，说她是为了替祖母报仇，才以这主意使外来的求婚者赴死。她说，没有人能占有她，冷酷地唱：“外邦人试试看，谜题有3个，死亡只有一次。”卡拉富也回答：“谜题有3个，死亡只有一个。”猜谜开始，第一个谜题是“在黑暗中，幻影如彩虹飞舞”。公主说：“这幻影是人人梦寐以求的，它为了在每个人心中苏醒，便在每一个晚上诞生，在清晨死亡。”卡拉富回答：“希望。”官员打开答案，表示正确。图兰朵走到台阶中段，说出第二个谜语：“像火焰非火焰，失去了生命就会冷却，梦见征服就会复燃，颜色如夕阳艳红，声音清晰可闻。”卡拉富想了一会儿答：“一见到公主双眼就燃烧、苦恼的是热血。”答案正确，大家欢呼。公主愤怒地走下台阶，第三道题是：“冰冷给你火焰，从火焰中得到更冷的冰。若盼望自由就成奴隶，想当奴隶却变成国王。”卡拉富脸色苍白地陷入沉思，图兰朵逼问，一会儿卡拉富跳起来说：“而今胜利属于我，我的火焰会使冰融化，那就是图兰朵！”群众庆贺合唱，欢呼谜已被彻底解开。图兰朵跪在皇帝前说，“请不要把清纯的处女交给陌生人”，又面对卡拉富说：“我不会成为你的！”皇帝却说誓言是神圣的，众人呼应。卡拉富说，“刁蛮的公主啊，我真心爱你。”他对图兰朵说，解除婚约只有在天亮前回答一个问题，说出他的名字。众人歌颂皇恩，送他入宫。
第三幕第一场，皇宫内庭。夜，卡拉富听着远处传来“谁能不准睡觉”的声音，唱著名的咏叹调《无人入眠》（Nessun dorma），他坚信黎明一到，胜利就会属于他。平、彭、潘上场，把一个美女推给卡拉富，美女向卡拉富献媚。3个官吏又以财物诱惑，见美女与贿赂都不发生作用，对卡拉富说：“如查不出你的名字，我们都会被杀死，请你快离开这里。”卡拉富坚持“我的希望是图兰朵”，大家拔剑指向他，想逼他说出名字。这时舞台后传来“我们知道了”的喊声，士兵把帕木尔和柳儿押上来，图兰朵登场。图兰朵一声令下，先审帕木尔，柳儿挺身而出说，只有我知道他的名字卡拉富想去救柳儿，反被逮捕，柳儿当着卡拉富的面被拷打，图兰朵问她为什么不愿说出名字，她说“这是爱情的力量”。柳儿唱《隐藏在心里的爱比痛苦更坚强》（Tanto amore segreto），她对图兰朵说，我沉默地把他的爱给你，我虽然会失去一切，但这是心爱者最珍贵的礼物。这时大众叫道“杀头，杀头！”刽子手出现，柳儿唱咏叹调《公主你冰冷的心》（Tu che di gel sei cinta），她说公主你懂得爱后，冰冷的心就会被热情的火焰融化。趁卫兵不注意，她拔剑自刎，普契尼原作到此为止。续完的内容是，帕木尔靠在柳儿尸体边痛哭，送葬的队伍远去后，卡拉富与图兰朵的二重唱。卡拉富扯去图兰朵的面纱，说冰冷的公主，你应看看这为你而流的热血。图兰朵表示，即使面纱拿掉，我的心仍在天上。卡拉富强行亲吻，图兰朵自语：“我究竟怎么了？我输了？”她的心终于融化，流下了眼泪。台后传来优美的歌声，人们庆贺黎明来临，卡拉富的爱情诞生，图兰朵唱咏叹调《泪水盈眶》。卡拉富说：“今天公主已属于我，我要把名字和生命都献给你，我是鞑靼王子卡拉富。”图兰朵拉着他的手走向大众等待的广场。第二场，皇宫前广场。早晨，在进行曲下，皇帝坐上宝座，大众高呼万岁。图兰朵与卡拉富上场，图兰朵说，“父亲，我已知道了这个年轻人的名字，他的名字叫作爱。”卡拉富与图兰朵拥抱在一起，群众高唱“太阳，生命，愿一切永远”的合唱祝贺他们幸福，剧终。
