È la vigilia di Natale. Dalla finestra di una soffitta Rodolfo guarda i tetti di Parigi coperti di neve, mentre Marcello lavora a un quadro. Intirizzito, Rodolfo impreca contro il caminetto spento; Marcello propone di ravvivarlo sacrificando una sedia, ma Rodolfo preferisce bruciare il manoscritto del dramma a cui sta lavorando. Giunge Colline, che si riscalda anch’egli all’effimero fuoco; poco dopo entra Schaunard, recando viveri, legna, sigari e vino, avuti in compenso da un ricco lord inglese. I quattro amici decidono di festeggiare al Quartiere Latino. Bussano alla porta: è Benoît, il padrone di casa, venuto a riscuotere l’affitto. I quattro lo accolgono cordialmente, lo fanno bere e lo lusingano, finché, fingendosi scandalizzati dalle sue avventure amorose, lo cacciano dalla soffitta. Marcello, Schaunard e Colline si avvian o, mentre Rodolfo, che deve terminare un articolo, indugia ancora nella stanza. Bussano timidamente alla porta: è Mimì, la vicina, cui si è spento il lume. Vedendola in affanno per lo sforzo delle scale, Rodolfo la fa sedere e le fa bere un po’ di vino, mentre contempla il suo pallore. Ripresasi, Mimì sta per lasciare la stanza, quando si accorge d’aver perduto la chiave di casa. Rodolfo l’aiuta a cercarla, ma quando la trova la nasconde, per non doversi subito congedare dalla ragazza. Le prende la mano e le racconta, in breve, la sua storia: è un poeta e vive, povero, alla giornata. Mimì gli risponde raccontandogli della sua vita e confidandogli i suoi sogni. Rodolfo l’abbraccia e si avvia con lei, offrendole il braccio, al Quartiere Latino.
Al Quartiere Latino, facendosi strada a un crocicchio gremito di folla e di venditori, i quattro amici si dirigono verso l’ingresso del Caffè Momus. Rodolfo regala a Mimì una cuffietta rosa, poi presenta la ragazza agli amici. Marcello vede da lontano Musetta, con cui ha litigato ma della quale è tuttora innamorato. Accompagnata dal vecchio consigliere di Stato Alcindoro, che le fa da cavalier servente, Musetta scorge Marcello, che finge di ignorarla; fa allora la civetta, cantando un provocante motivo di valzer. Si fa poi gioco di Alcindoro, fingendo male a un piede e mandandolo a comprarle un paio di scarpe. Marcello, riconquistato, si avvicina a Musetta e la prende tra le sue braccia. Il vecchio consigliere, al ritorno, non trova più nessuno e resta, solo, con il conto da pagare.
Trascorso qualche tempo, in una fredda mattina d’inverno, all’alba, i doganieri aprono la cancellata della barriera d’Enfer, facendo entrare gli spazzini, i carrettieri e le contadine. Dall’interno di un cabaret giungono grida e risate. Alla barriera giunge anche Mimì, tormentata da accessi di tosse, e chiede di Marcello. Questi esce dal cabaret e va incontro, sorpreso, alla ragazza, che le confida la decisione di separarsi da Rodolfo, la cui gelosia le rende la vita impossibile. Mimì si nasconde, vedendo uscire dal cabaret Rodolfo. Questi confida all’amico la vera ragione della separazione: non può offrire a Mimì, minata dalla tisi, l’assistenza di cui ha bisogno. Mimì, che ha sentito tutto, rivela la sua presenza e Rodolfo l’abbraccia teneramente. Marcello, sentendo le risa sfacciate di Musetta, rientra precipitoso nel cabaret. Mimì dà l’addio a Rodolfo, lasciandogli per ricordo la sua cuffietta rosa. Ma i due non hanno la forza di separarsi e decidono di restare insieme fino ad aprile, alla stagione dei fiori. Musetta e Marcello, intanto, litigano furiosamente.
Sono passate alcune settimane. Rodolfo e Marcello tentano, senza riuscirci, di concentrarsi sulla loro arte; in realtà non fanno altro che pensare a Mimì e a Musetta, entrambe lontane, tentando di dissimulare il rimpianto. Giungono Schaunard e Colline, con magre provviste; i quattro amici fingono allegramente di banchettare con il poco che hanno. La scena è interrotta dall’entrata improvvisa di Musetta, che ha condotto con sé Mimì, ormai morente. Rodolfo adagia Mimì sul letto e le prende le mani per riscaldarle. Musetta, intanto, manda Marcello a vendere i suoi orecchini, perché possa comprare un cordiale e chiamare un dottore, e si avvia per cercare un manicotto. Colline rinuncia al suo vecchio pastrano ed esce con Schaunard per andare a impegnarlo. Mimì resta sola con Rodolfo, al quale rivolge la sua straziante dichiarazione d’amore. I due ricordano i momenti lieti del primo incontro, quando Mimì si era accorta della chiave nascosta da Rodolfo ed era stata al gioco. Gli amici fanno ritorno. Mimì si assopisce e muore dolcemente, l asciando Rodolfo nella massima disperazione.
