Siamo nel laboratorio di Coppelius, dove sono disseminate bambole e automi;  Swanilda cerca con le amiche la sua rivale; la trova in un armadio le si avvicina e scopre con gioia che è solo una bambola meccanica, mentre le sue amiche azionano, divertite, gli automi del laboratorio. Coppelius, furibondo, riprende possesso della sua casa: tutte scappano, tranne Swanilda che non riuscendo a guadagnare la via d’uscita si nasconde proprio dentro l’armadio di Coppelia e si sostituisce alla bambola.

Intanto Franz, sopraggiunto dal balcone, viene smascherato dal vecchio dottore, al quale confessa di essersi innamorato di sua figlia e di volerla incontrare. Folgorato da un’idea, Coppelius si finge cordiale e offre al giovane un vino narcotizzante che lo addormenta; quindi gli affianca Coppelia a cui vorrebbe trasfondere, con arti magiche, la linfa vitale del giovane. Swanilda, diventata  bambola, asseconda l’operazione e finge di passare gradualmente dal movimento meccanico a una radiosa vitalità. 

Davanti a Coppelius, incantato, esegue due brillanti danze (spagnola e scozzese), ma poi, stanca del gioco, chiama le amiche e insieme mettono a soqquadro il laboratorio, cercando di svegliare Franz. Infine Swanilda mostra al dottore la sua vera Coppelia in un angolo; Franz si sveglia e i due giovani, felicemente riuniti, fuggono, con le amiche, lasciando lo sconsolato Coppelius abbracciato alla sua inerte bambola preferita.