Un grupo de jóvenes bohemios intentan entrar en calor en su gélida buhardilla parisiense: se trata del poeta Rodolfo, el pintor Marcello, el filósofo Colline y el músico Schaunard. Cuanto echan a la chimenea no consigue hacer que se prenda un fuego en condiciones y no hay manera de calentar el cuarto. Schaunard ha tenido un golpe de suerte trabajando para un rico y llega con comida y leña, aunque sugiere salir a cenar fuera, al Barrio Latino, ya que es Nochebuena. Benoît, su casero, llama a la puerta para reclamarles el pago de la renta. Le invitan a beber y acaban echándolo después de sacarle los colores por sus escarceos amorosos a espaldas de su mujer. Se van todos al Café Momus excepto Rodolfo, que tiene que quedarse a terminar un artículo. Es entonces cuando llama a la puerta Mimì, una vecina, a la que se le ha apagado su vela. Muy pálida, acaba desmayándose. Tras recuperarse, pierde su llave y ambos la buscan a tientas en la oscuridad. Rodolfo la encuentra, pero la esconde en su bolsillo para fomentar la cercanía física con Mimì. Ambos se cuentan brevemente quiénes son (ella borda flores para ganarse la vida), sienten una irresistible atracción mutua y finalmente deciden ir juntos al Café Momus a reunirse con los amigos de Rodolfo.

En las calles del Barrio Latino, en Nochebuena, hay un enorme bullicio y un trajín constante de gente. Los vendedores gritan ofreciendo sus artículos y Rodolfo compra a Mimì un tocado en una tienda. Ambos se sientan con sus amigos en una mesa fuera del Café Momus. Al poco rato llega Musetta, una atractiva joven, en compañía de Alcindoro, un admirador presuntuoso y entrado en años. Ella es un antiguo amor de Marcello, que intenta ignorarla, pero Musetta se propone atraer su atención a toda costa y, con su encanto irresistible y buenas dosis de picardía, acaba consiguiéndolo. Al final, con la excusa de que le aprieta un zapato, logra zafarse de Alcindoro, al que envía a una zapatería a comprar otro par. Ella vuelve a caer en brazos de un exultante Marcello y decide juntar las cuentas de ambas mesas, indicando al camarero que será Alcindoro quien las pague cuando vuelva. Los jóvenes bohemios parten alegremente.

En un frío día de febrero, Mimì llega a una posada situada junto a una barrera aduanera de París, en la que están viviendo Marcello y Musetta. Él cuenta a Mimì que Rodolfo está también dentro, pero ella se niega a entrar y le explica que los celos del poeta están arruinando su relación. Quizá lo mejor para ellos, coinciden ambos, sería separarse. Cuando sale Rodolfo, ella se esconde, pero puede escuchar cómo Rodolfo cuenta a su amigo que Mimì está cada vez más enferma y debilitada, por lo que no puede soportar no servirle de más ayuda. Descubierta, Mimì se reúne amorosamente con Rodolfo al tiempo que Marcello va a ver con quién se encuentra ahora coqueteando Musetta, a la que ha escuchado reír a carcajadas. Mimì se despide de Rodolfo, pero ambos deciden seguir juntos y separarse en primavera. Mientras tanto, Musetta y Marcello han iniciado una más de sus interminables discusiones e intercambios de insultos.

En la misma buhardilla del primer acto. Mimì y Rodolfo se han separado. Él está intentando escribir y Marcello pintar, pero no paran de pensar en sus amadas. Llegan Schaunard y Colline con exiguas provisiones, pero todos aparentan celebrar un gran banquete y proponen bailar diversas danzas. Aparece Musetta, que les explica que Mimì está demasiado enferma para poder acabar de subir las escaleras. La ha encontrado vagando por las calles y queriendo regresar a la buhardilla y morir junto a Rodolfo. La recogen de la escalera y la acuestan. Cada uno se va a vender lo que puede para comprar medicinas para Mimì. La costurera y el poeta recuerdan el día en que se conocieron y su pasada felicidad. Los amigos vuelven con medicinas y con un manguito, pero ya es demasiado tarde. Tras tener palabras dulces de agradecimiento para todos, Mimì muere y deja a Rodolfo sumido en la desesperación.