ATTO I

Alla Vigilia di Natale, il pittore Marcello e il poeta Rodolfo cercano di tenersi caldo bruciando le pagine dell'ultima opera di Rodolfo in una soffitta nel Quartiere Latino di Parigi. Vengono raggiunti dai loro giovani amici, il filosofo Colline e il musicista Schaunard, che ha portato soldi e cibo. Mentre stanno festeggiando la loro fortuna improvvisa, si sente bussare alla porta: è il loro padrone di casa Benoit, venuto a ritirare l'affitto scaduto. Offrendogli continuamente del vino, gli uomini lo inducono a parlare dei suoi tradimenti per buttarlo poi infine fuori di casa fingendo di indignarsi difronte alla sua infedeltà nei confronti della moglie. Colline, Schaunard e Marcello lasciano la soffitta per dirigersi verso il Café Momus, mentre Rodolfo rimane a casa a scrivere promettendo di raggiungerli a breve. Si ode un lieve colpetto alla porta e questa volta l'ospite si rivela essere uno dei vicini, Mimì, una giovane donna, bella, ma debole e pallida. A causa degli spifferi le si è spenta la candela sulle scale ed ora vorrebbe riaccenderla. Rodolfo soddisfa il suo desiderio, ma proprio mentre se ne sta per andare, la ragazza si sente mancare. Dopo che Rodolfo le ha offerto del vino perché si rimetta in forze, Mimì si accorge di aver perso le chiavi di casa e mentre le stanno cercando sulle scale, le loro candele si spengono. Il poeta prende la mano della ragazza e le confida i suoi sogni al chiaro di luna. Da parte sua Mimì gli spiega che lei conduce una vita piuttosto semplice e solitaria ricamando fiori: la ragazza adora la primavera. Nel frattempo Rodolfo trova le chiavi di Mimì, ma se le nasconde in tasca. Da fuori, gli amici di Rodolfo lo chiamano perché lui li raggiunga al Café Momus. Avvertendoli che arriverà presto, Rodolfo chiede loro di occupargli due sedie. Rodolfo e Mimì, che sono molto attratti l'uno dall'altra, lasciano la soffitta per raggiungere gli altri al café.

ATTO II

Nel Quartiere Latino c'è gran festa. Rodolfo compra a Mimì un cappello rosa che la ragazza desiderava da molto tempo. Nel frattempo anche Colline si è comprato un cappotto rattoppato. Musetta, l'ex ragazza di Marcello, entra nel café con Alcindoro, un suo anziano ammiratore. Ovviamente lei è ancora attratta da Marcello, e lui da lei, ma mentre lei canta una canzone sul suo successo con gli uomini con l'intenzione di attirare l'attenzione dell'amato, lui cerca di ignorarla. Musetta fa finta che le scarpe le facciano male e manda Alcindoro a comprarle delle scarpe nuove. Appena Alcindoro esce, Musetta si getta nelle braccia di Marcello. Infine la compagnia se ne va e Musetta dice al cameriere del café che Alcindoro si occuperà del conto.

ATTO III

All'alba in un mattino nevoso di febbraio nella periferia di Parigi, distrutta dalla tosse Mimì si avvicina alla taverna dove Marcello e Musetta sono andati a vivere dopo essersi riconciliati. Mimì rivela a Marcello di non poter più rimanere con Rodolfo a causa della sua estenuante gelosia: è meglio che si separino. Improvvisamente si sente la voce di Rodolfo e Mimì si nasconde alla sua vista. Il poeta confida a Marcello di voler chiudere la sua relazione con Mimì dal momento che è una donna volubile e civettuola e anche a causa delle loro frequenti litigate. Subito dopo però Rodolfo crolla e non gli rimane che dire la verità: il poeta ammette di essere in realtà molto preoccupato per la salute di Mimì e crede che la ragazza, restando nella sua fredda soffitta nella miseria più nera, non potrà che peggiorare. A questo punto si sente un colpo di tosse e finalmente Mimì esce dal suo nascondiglio; Rodolfo è sconvolto perché sa che la sua amata ha sentito tutto quello che ha detto. Anche se Mimì lo vuole lasciare, Rodolfo insiste perché restino insieme almeno fino a primavera perché l'inverno sarebbe una stagione troppo triste per stare separati. Nel frattempo Marcello torna alla taverna, dove Musetta sta ridendo e flirtando con un altro uomo. Marcello e Musetta si lasciano con rancore, mentre Rodolfo e Mimì decidono di restare insieme fino a primavera.

ATTO IV

Alcuni mesi più tardi, nella soffitta, Marcello e Rodolfo si lamentano della loro solitudine dal momento che entrambi si sono separati dalle loro amanti. Colline e Shaunard arrivano offrendo agli amici un pò di cibo. I quattro bohémien decidono di volgere la situazione al meglio immaginando e fingendo di trovarsi a un banchetto: danzano per la stanza, ridono e scherzano e alla fine mettono pure in scena un duello. La loro euforia si smorza però velocemente quando Musetta irrompe nella stanza gridando che Mimì è collassata sulle scale chiedendo di vedere Rodolfo: Mimì, pallida e stremata, viene accompagnata al piano superiore e adagiata su un comodo letto. Gli amici non hanno soldi per un dottore o per delle cure e così Musetta si toglie gli orecchini chiedendo a Marcello di pignorarli. Per contribuire alle spese anche Colline decide di vendere il soprabito che ha da poco acquistato. Quando lui e Schaunard lasciano la stanza, Mimì e Rodolfo restano finalmente soli. Abbandonandosi ai ricordi del loro primo incontro e parlando del loro reciproco amore, si promettono di restare insieme per sempre. Poco dopo gli altri amici tornano con un manicotto per riscaldare le mani fredde di Mimì e con la notizia che il dottore arriverà presto per visitare la ragazza. Mimì viene colta da un forte colpo di tosse e mentre Rodolfo si volta per un attimo, Schaunard si accorge che Mimì è morta. Tutti sono consci del fatto, tranne Rodolfo che crede che la ragazza stia riposando e non vuole rassegnarsi al destino. Alla fine, quando anche lui scopre la triste verità, urla il suo nome preso dalla disperazione.