Atto 1
Nella mansarda dei quattro bohémien
Il primo atto si svolge a Parigi intorno al 1830. Un gruppo di bohémien vive in una stanza in una soffitta. Marcello sta dipingendo mentre Rodolfo guarda fuori dalla finestra. Sono così poveri e freddi che bruciano un dramma che Rodolfo ha scritto. Colline, il filosofo, entra tremando e arrabbiato perché non ha potuto impegnare alcuni libri. Schaunard, il musicista del gruppo, arriva con cibo, legna, vino, sigari e denaro. Dice ai suoi amici che ha ottenuto queste cose perché ha un lavoro presso un signore inglese. Gli altri ascoltano a malapena, perché sono così affamati che cercano di mangiare velocemente il cibo. Schaunard li interrompe, portandosi via il pasto e dicendo che tutti festeggeranno la sua fortuna cenando invece al Cafe Momus.
Mentre bevono, Benoit, il padrone di casa, arriva per riscuotere l'affitto. Gli danno un sacco di vino così che si ubriaca e comincia a raccontare alla gente le sue avventure d'amore. Poi dice di essere sposato, ma gli altri lo buttano fuori dalla stanza. Il denaro che sarebbe dovuto servire per pagare l'affitto viene diviso tra il gruppo per farli divertire
Gli altri bohémien escono, ma Rodolfo rimane un attimo da solo per finire un articolo di giornale, promettendo di raggiungere presto i suoi amici. Bussano alla porta ed entra Mimì, una sarta che vive in un appartamento sottostante. La sua candela si è spenta, e non ha fiammiferi; chiede a Rodolfo di accenderla. Lo ringrazia, ma torna dopo pochi secondi dicendo che ha perso la chiave. Entrambe le candele si spengono. È buio, e la coppia cerca di sentirsi in giro. Rodolfo vuole passare del tempo con Mimì. Trova la chiave, ma non glielo dice e se la mette in tasca. In due arie molto famose ("Che gelida manina" di Rodolfo e "Sì, mi chiamano Mimì" di Mimì), si raccontano le loro diverse storie. Gli amici di Rodolfo lo invitano a venire. Lui preferirebbe restare lì con Mimì, ma lei decide che devono andare insieme. Escono cantando il loro amore reciproco.
Atto 2
Quartiere latino alla vigilia di Natale
Le strade sono affollate di gente felice. Rodolfo compra a Mimì un cappellino. Gli amici entrano in un caffè. Musetta, che era la fidanzata di Marcello, entra nel caffè con Alcindoro, un uomo ricco e vecchio. Lei è stanca di lui. Canta una canzone birichina, sperando che Marcello la noti.
Marcello diventa pazzo di gelosia. Per liberarsi di Alcindoro per un po', Musetta finge di avere una scarpa stretta e lo manda con essa dal calzolaio. Musetta e Marcello cadono a lutto l'uno nelle braccia dell'altro.
Si sente il suono di una parata militare. Marcello e Colline portano Musetta sulle loro spalle mentre tutti applaudono. Alcindoro ritorna con la scarpa riparata. Il cameriere gli porge il conto. È sorpreso da quanto deve pagare, e sprofonda in una sedia.
Atto 3
A un casello un mese o due dopo
Mimì passa attraverso il casello. Ha la tosse. Trova Marcello, che vive in una piccola taverna vicino al cancello. Gli racconta della sua dura vita con Rodolfo, che l'ha lasciata quella notte.
Rodolfo esce dalla taverna in cerca di Marcello. Mimì si nasconde. Sente Rodolfo dire a Marcello perché l'ha lasciata. All'inizio dice che Mimì non lo ama, ma poi dice che l'ha lasciata perché lei sta morendo di una malattia.
Rodolfo è povero e può fare poco per aiutare Mimì. Spera che un uomo ricco possa innamorarsi di lei e pagarle le cure mediche. Per gentilezza verso Mimì, Marcello cerca di fermare Rodolfo, ma lei ha già sentito tutto.
Lei deve tossire e Rodolfo la scopre. Cantano del loro amore perduto e si accordano per separarsi. Si amano tanto e decidono di stare insieme fino alla primavera. Marcello e Musetta si sentono litigare in sottofondo.
Atto 4
La mansarda
Marcello e Rodolfo sono entrambi tristi per aver perso i loro cari. Schaunard e Colline arrivano con un po' di cibo. Fingono di fare una grande festa e ballano tutti insieme. Musetta arriva con delle notizie: Mimì, che aveva trovato un ricco signore, ora lo ha lasciato e vaga per le strade sentendosi molto malata e debole.
Musetta ha riportato con sé Mimì nella stanza della soffitta. Mimì viene aiutata su una sedia. Musetta e Marcello vanno a vendere gli orecchini di Musetta per comprare delle medicine, e Colline va a impegnare il suo cappotto. Schaunard se ne va in silenzio per dare a Mimì e Rodolfo del tempo insieme. Rimasti soli, i due ricordano la loro felicità passata.
Ricordano il loro primo incontro. Rodolfo regala a Mimì la cuffietta rosa che le ha comprato e che ha conservato come ricordo del loro amore. Gli altri tornano, con in dono un manicotto per scaldare le mani di Mimì e delle medicine, e dicono a Rodolfo che è stato chiamato un medico, ma è troppo tardi. Mentre Musetta prega, Mimì muore. Rodolfo crolla in lacrime.
