C’est la veille de Noël. Par la fenêtre du grenier Rodolfo regarde les toits de Paris couverts de neige, tandis que Marcello travaille à un tableau. Gelé , Rodolfo s’en prend à la cheminée qui s’éteint; Marcello propose de brûler une chaise pour raviver le feu, mais Rodolfo préfère brûler le manuscrit d’un drame qu’il est en train d’écrire. Colline arrive et se réchauffe avec eux devant le maigre feu. Peu après entre Schaunard, avec des victuailles, du bois, des cigares et du vin qu’il a reçus en paiement de la part d’un riche lord anglais. Les quatre amis décident d’aller fêter cette veille de Noël au Quartier Latin. On frappe à la porte : c’est Benoît, le propriétaire, qui est venu réclamer le loyer. Les quatre amis l’accueillent avec cordialité, lui offrent à boire, le flattent, puis, faisant semblant d’être scandalisés par ses aventures galantes, le chassent du grenier. Marcello, Schaunard et Colline s’en vont. Rodolfo s’attarde dans la pièce car il doit terminer un article. On frappe timidement à la porte : c’est Mimì, une voisine, qui n’a plus de quoi allumer sa lampe. En la voyant essoufflé à cause des escaliers, il lui offre un siège et un peu de vin tandis qu’il observe la pâleur de son visage. Mimì se reprend et veut repartir quand elle s’aperçoit qu’elle a perdu sa clé. Rodolfo l’aide à la chercher ; il la retrouve mais il la cache pour ne pas se séparer tout de suite de la jeune fille. Il lui prend les mains et lui raconte brièvement sa vie : il est poète et vit pauvrement au jour le jour. Mimì lui raconte à son tour sa vie et elle lui confie ses rêves. Rodolfo l’embrasse et, lui offrant son bras, il se dirige avec elle vers le Quartier Latin.
Au Quartier Latin se frayant un chemin dans les rues bondées de gens et de vendeurs, les quatre amis se dirigent vers l’entrée du Café Momus. Rodolfo offre à Mimì un petit bonnet rose et il la présente à ses amis. Marcello aperçoit de loin Musetta , avec laquelle il s’est disputé mais dont il est toujours amoureux. Accompagné du vieux conseiller d’État Alcindoro, qui lui sert de chevalier servant, Musetta aperçoit elle aussi Marcello, qui fait semblant de ne pas la voir ; elle fait alors la coquette et se met à chanter un air de valse provocant. Elle se moque ensuite d’Alcindoro et, feignant d’avoir mal à un pied, elle l’envoie acheter une paire de chaussures. Marcello, ainsi reconquis, s’approche d’elle et la prend dans ses bras. Le vieux conseiller revient et ne trouve plus personne ; il ne lui reste qu’à régler le compte.
Quelque temps a passé. C’est une froide matinée d’hiver, à l’aube ; les douaniers ouvrent les grilles de la barrière d’Enfer et font entrer les balayeurs, les charretiers et les pays annes. Des rires et des cris parviennent de l’intérieur d’un cabaret. Mimì arrive à la barrière, en plein accès de toux, et demande après Marcello. Celui-ci sort du cabaret et, surpris, s’approche d’elle. Elle lui confie alors qu’elle veut se séparer de Rodolfo, car sa jalousie lui rend la vie intenable, puis elle se cache lorsqu’elle le voit sortir du cabaret. Rodolfo confie à son tour à Marcello la vraie raison de sa séparation : il ne peut plus offrir à Mimì, rongée par la maladie, les soins dont elle a besoin. Mimì, qui a tout entendu, révèle sa présence et Rodolfo l’embrasse tendrement. Marcello, en entendant les rires bruyants de Musetta, se précipite dans le cabaret. Mimì fait ses adieux à Rodolfo, et lui donne le bonnet rose en souvenir. Mais les deux jeunes gens n’ont pas la force de se séparer et décident de rester encore ensemble jusqu’en avril, jusqu’à la saison des fleurs. Pendant ce temps Musetta et Marcello se disputent furieusement.
Quelques semaines ont passé. Rodolfo et Marcello tentent en vain de se concentrer sur leur art ; en fait l’un et l’autre ne cessent de penser à Mimì et à Musetta et cherchent à cacher leurs regrets. Schaunard et Colline arrivent avec quelques maigres provisions ; les quatre amis font semblant d’être joyeux devant le peu qu’ils ont à manger. Leur repas est interrompu par l’entrée soudaine de Musetta, qui a amenée avec elle Mimì, qui est au plus mal. Rodolfo étend Mimì sur le lit et lui réchauffe les mains. Musetta donne à Marcello ses boucles d’oreilles pour qu’il aille les vendre et qu’il puisse acheter un cordial et appeler un médecin, puis elle sort pour aller chercher un manchon. Colline renonce à son vieux paletot et s’en va avec Schaunard pour aller l’engager. Mimì reste seule avec Rodolfo, à qui elle fait une poignante déclaration d’amour. Tous les deux évoquent leur première rencontre, lorsque Mimì s’était aperçue de la clé cachée et qu’elle avait joué le jeu. Leurs amis reviennent. Mimì s’assoupit et meurt doucement, tandis que Rodolfo est désespéré.
