Acte 1:Paris, les années 1830. Dans leur mansarde du Quartier Latin, Marcello, artiste sans le sou, et Rodolfo, poète, se réchauffent un soir de Noël en brûlant des pages de la dernière pièce de Rodolfo. Leurs camarades de chambrée les rejoignent. Lorsqu'ils partent faire la fête au Café Momus, Rodolfo promet de les rejoindre. Il reste en retrait pour tenter d'écrire. La jolie voisine, Mimì, frappe à la porte : sa bougie s'est éteinte dans l'escalier. Au clair de lune, le poète prend sa main grelottante et lui confie ses rêves. Elle raconte ensuite sa vie, seule dans une mansarde, brodant des fleurs en attendant le printemps. Heureux de s'être trouvés, Mimì et Rodolfo s'embrassent puis partent au café.

Acte 2:Au milieu des colporteurs de rue, Rodolfo achète un bonnet à Mimì près du Café Momus, puis la présente à ses amis. L'ancienne amie de Marcello, Musetta, entre au bras du vieux mais riche Alcindro. Le tumulte qui s'ensuit est à son comble lorsque, essayant de gagner l'attention de Marcello, elle chante sa popularité sur un air de valse. Elle se plaint de sa chaussure qui pince et envoie Alcindro lui en chercher une nouvelle paire. Dès qu'il est parti, elle tombe dans les bras de Marcello et dit au garçon de mettre tout sur la note d'Alcindro. Un peloton de soldats passe devant le café, des bohémiens les suivent, et Alcindro arrive en courant avec les chaussures de Musetta.

Acte 3:On entend des noceurs à l'intérieur d'une taverne. Mimì arrive, cherchant l'endroit où Marcello et Musetta habitent. Lorsque le peintre surgit, elle lui raconte sa détresse face à la jalousie incessante de Rodolfo. Alors qu'il s'était endormi dans la taverne, Rodolfo se réveille et sort. Mimì se cache et Marcello pense qu'elle est partie. Marcello éclate en sanglots, prétendant que la toux de Mimì ne peut que s'aggraver vu la pauvreté dans laquelle ils vivent. Bouleversée, Mimì avance chancelante pour dire adieu à son amant. Marcello, qui a entendu le rire de Musetta, retourne en courant dans la taverne. Tandis que Mimì et Rodolfo se rappellent leur bonheur passé, Musetta se précipite hors de l'auberge en se disputant avec Marcello, qui l'a surprise à flirter. Le peintre et sa maîtresse se séparent en s'insultant, Mimì et Rodolfo décident de rester ensemble jusqu'au printemps.

Acte 4:Rodolfo et Marcello se lamentent sur leur sort de célibataires dans la mansarde. Au moment le plus amusant, Musetta fait irruption pour leur dire que Mimì est dehors. Rodolfo se précipite à son secours, et Musetta raconte comment Mimì a supplié qu'on l'emmène mourir près de son amant. Laissés seuls, Mimì et Rodolfo se rappellent avec nostalgie leur rencontre et leurs premiers jours heureux, mais la voilà prise d'une violente quinte de toux. Les autres reviennent, Musetta donne un manchon à Mimì pour lui réchauffer les mains et prie pour qu'elle reste en vie. Schaunard découvre que Mimì est morte et, lorsque Rodolfo finit par s'en rendre compte, il se jette sur son corps, criant son nom.