第二景：宮廷。白天。皇帝阿兒頓，杜蘭朵公主的父親，坐在御座上。他力勸那位求婚的王子撤回他的求婚決定，可是王子還是一意孤行。杜蘭朵出來對眾人自述對於先人的不幸所感到的仇恨（杜蘭朵唱〈祖先的屈辱〉，義大利語：〈In questa reggia〉）：她的祖先羅玉鈴公主抵抗男人的霸道，把國家治理得很好，人民老百姓過著安居樂業的生活，直至有一天一個入侵的外國王子強暴她，並且殺死她。長大後的杜蘭朵公主發誓要為祖先羅玉鈴公主報仇，她憎恨所有向她求婚的男人。杜蘭朵公主勸告王子收回決定，但是王子對公主的愛意已定，不能收回。於是杜蘭朵公主講出了第一個謎語：「什麼東西在晚上出生，而在黎明死去？」王子正確回答「是希望。」公主感到很驚訝地講出了第二個謎語：「什麼東西紅如火，暖如火，又不是火？」王子想了一會兒說「是血。」公主聽後更加震驚了，民眾對王子的聰明自信喝彩，更加激怒了公主，公主接著講出了第三個謎語（義大利語：Gelo che ti da foco）：「什麼東西冷如冰，燃燒起來熱如火？」正當王子思考的時候，公主很得意地逗弄著王子，以為王子肯定回答不了而被斬首，王子突然大聲說「這就是你杜蘭朵公主！」民眾立即歡騰起來呼喚著王子的勝利，公主隨即跪在皇帝面前，哀求父王不要把她嫁出去。皇帝卻堅持誓約是「神聖不可侵犯」，認為公主一定要按照誓約嫁給王子。正當公主悲痛萬分之時，王子向公主提出了一個謎語：「如果在日出前你能說出我的名字，你就可以處死我。」杜蘭朵公主接受這個猜謎提議。皇帝國王也向眾人宣告希望王子在天亮時能成為他的駙馬。 第三幕:第一景：宮中花園。晚上。在遠處，宮廷中的傳令官宣讀杜蘭朵公主的命令：今晚北京城內所有人都不能入睡，如果在天亮前仍然不知道王子的名字，那麼全城的人都要被處死。王子非常高興地等候著黎明到來，他期望著勝利，唱起〈公主徹夜未眠〉：「今夜無人入睡！今夜無人入睡！即使是你，啊，公主」（義大利語：Nessun Dorma）
三位大臣又向王子傳令，他們說只要王子能放棄娶杜蘭朵公主，就可以立即享受榮華富貴的生活。王子仍然拒絕了。一群士兵拖出王子的父親帖木兒和女僕柳兒。企圖從他們的口中得知王子的名字，因為有人看見他們和王子說話。杜蘭朵公主進來命令帖木兒和柳兒說出王子的名字。王子假裝說他們不會知道。柳兒卻宣稱只有她才知道王子的名字，但是她不會透露的。大臣平用盡各種方法想從柳兒口中得知王子的名字，她堅持不說，於是受到拷打。柳兒始終守口如瓶不肯透露，她的行為打動了杜蘭朵公主，杜蘭朵公主就問柳兒「什麼力量驅使你如此堅強？」柳兒回答說「是愛，公主。」。杜蘭朵公主再次命令大臣平逼供出王子名字，大臣平便加重刑罰。柳兒沒有被征服反而對杜蘭朵公主說：「層層冰霜將你圍住，一定有火來熔化，你早晚也會愛上他的！」說完後，柳兒從一個士兵的腰帶拔出短劍，向自己猛刺，當她邁步走向王子跟前的時候，眾人喊著要她說出王子的名字，可她卻倒地而死了。由於帖木兒眼睛瞎了，起初不知道柳兒已死，經過旁人告訴他，他知道後在極度的痛苦中大哭起來。帖木兒警告說這種罪行會觸怒上天。眾人聽後帶著羞恥和害怕的心情安靜下來。柳兒的屍體被抬走，悲痛的帖木兒和眾人跟在後面走。當所有人都離開之後，剩下王子和杜蘭朵。王子責備杜蘭朵公主的殘酷後把她抱在懷裡並且強迫吻了她。
王子決定以真摯的愛情去打動杜蘭朵公主冷酷無情的心，他的一個吻點燃了公主心中的愛情之火，她希望王子帶著這個神秘的愛離開，再不要提出什麼問題，但是王子最終卻把自己的真名「卡拉富」告訴了公主，他的命運已掌握在公主的手中，可以隨時被處死。
第二景：宮廷。黎明。黎明時分已到，杜蘭朵公主卻和卡拉富王子一同走到皇帝面前，杜蘭朵公主宣佈她知道王子的名字，王子的名字就叫「愛！」眾人齊聲歡呼這對新人。
