1° quadro, Padiglione del Palazzo imperiale.

I ministri Ping, Pong e Pang ricordano i tempi felici, quando non c'era ancora la crudele principessa Turandot e la vita di corte era tranquilla. Purtroppo ora si sta preparando la nuova prova degli enigmi e una nuova testa sta per essere decapitata (i tre ministri ricordano, anche musicalmente, le maschere del teatro dell’arte).

2° quadro, Grande scena degli enigmi.

La corte imperiale prende posto sulla scalinata del palazzo imperiale. Otto sapienti portano i rotoli con la soluzione degli enigmi. La folla riempie la piazza.
Il vecchio imperatore, stanco di veder scorrere sangue, scongiura Calaf di rinunciare alla prova e ritirarsi ("Stranier ebbro di morte"), ma il principe è irremovibile. Entra Turandot e spiega le ragioni della sua crudele condotta, raccontando la storia di una sua antenata, tradita da un conquistatore straniero che l'aveva condotta lontano ed era morta di dolore ("In questa reggia, or son mill’anni e mille"). Propone quindi a Calaf i tre enigmi. "La speranza", "Il sangue", "Turandot" sono le risposte che Calaf dà, senza tentennamenti. Turandot non vuole accettare la sconfitta e chiede al padre di non consegnarla allo straniero. Il padre non può accontentarla ("È sacro il giuramento"). Ma è lo stesso Calaf che generosamente dichiara di rinunciare alla sua vittoria. Propone a sua volta una prova a Turandot: se prima dell'alba dell'indomani la principessa riuscirà a conoscere il suo nome, lui morrà come se non avesse risolto gli enigmi. La principessa acconsente (grande finale corale).