Quadro I

In soffitta
La vigilia di Natale. Il pittore Marcello, che sta dipingendo un Mar Rosso, e il poeta Rodolfo tentano di scaldarsi con la fiamma di un caminetto che alimentano di volta in volta con il legno di una sedia e la carta di un poema scritto da quest'ultimo. Giunge il filosofo Colline, che si unisce agli amici. Infine il musicista Schaunard entra trionfante con un cesto pieno di cibo e la notizia di aver finalmente guadagnato qualche soldo. I festeggiamenti sono interrotti dall'inaspettata visita di Benoît, il padrone di casa venuto a reclamare l'affitto, che però viene liquidato con uno stratagemma. È quasi sera e i quattro bohémiens decidono di andare al caffè di Momus. Rodolfo si attarda un po' in casa, promettendo di raggiungerli appena finito l'articolo di fondo per il giornale "Il Castoro".

Rimasto solo, Rodolfo sente bussare alla porta. Una voce femminile chiede di poter entrare. È Mimì, giovine vicina di casa: le si è spento il lume e cerca una candela per poterlo riaccendere. Una volta riacceso il lume, la ragazza si sente male: è il primo sintomo della tisi. Quindi fa per andarsene, quando si accorge di aver perso la chiave della stanza: inginocchiati sul pavimento, al buio (entrambi i lumi si sono spenti), i due iniziano a cercarla. Rodolfo la trova per primo e la nasconde in una tasca. Quando la sua mano incontra quella di Mimì ("Che gelida manina"), il poeta chiede alla fanciulla di parlargli di lei. Mimì gli confida d'essere una giovane ricamatrice e di vivere sola, ricamando fiori finti ("Sì, mi chiamano Mimì").

L'idillio dei due giovani, ormai ad un passo dal dichiararsi reciproco amore, viene interrotto dal ritorno degli amici che, dalla strada, reclamano Rodolfo. Il poeta vorrebbe restare in casa con la giovane, ma Mimì propone di accompagnarlo e i due, che dal "voi" formale del dialogo precedente, sono passati al "tu" degli innamorati, inneggiando all'amore ("Amor, amor") lasciano insieme la soffitta alla volta del caffè Momus.

Quadro II

Al quartiere latino
Il caffè Momus. Rodolfo e Mimì raggiungono gli altri bohèmiens. Il poeta presenta la nuova arrivata agli amici e le regala una cuffietta rosa. Al caffè si presenta anche Musetta, una vecchia fiamma di Marcello, che lo ha lasciato per tentare nuove avventure, accompagnata dal vecchio e ricco Alcindoro. Riconosciuto Marcello, Musetta fa di tutto per attirare la sua attenzione, esibendosi ("Quando m'en vo'"), facendo scenate ed infine cogliendo al volo un pretesto ,il dolore al piede per una scarpetta troppo stretta, per scoprirsi la caviglia. Marcello non può resisterle e i due amanti, riconciliatisi, fuggono insieme agli altri amici, lasciando il ricco amante di Musetta con la scarpa in mano e il conto da pagare.

Quadro III

La Barriera d'Enfer
Febbraio. Neve dappertutto. La vita in comune si è rivelata ben presto impossibile: le scene di gelosia fra Marcello e Musetta sono ormai continue, come pure i litigi e le incomprensioni fra Rodolfo e Mimì, accusata di leggerezza e di infedeltà. Per di più Rodolfo ha capito che Mimì è gravemente malata e che la vita nella soffitta potrebbe pregiudicarne ancor più la salute; i due vorrebbero separarsi, ma lo struggente rimpianto delle ore felici trascorse insieme li spinge a rinviare l'addio alla primavera. Frattanto Marcello e Musetta si separano dopo una furiosa litigata.

Quadro IV

In soffitta
Ormai separati da Musetta e Mimì, Marcello e Rodolfo si confidano le pene d'amore. Quando Colline e Schaunard li raggiungono, le battute e i giochi dei quattro bohémiens servono solo a mascherare la loro disillusione. All'improvviso sopraggiunge Musetta, che ha incontrato Mimì sofferente sulle scale, ormai prossima alla fine, in quella soffitta che vide il suo primo incontro con Rodolfo. Qui, ricordando con infinita tenerezza i giorni del loro amore, Mimì si spegne dolcemente circondata dal calore degli amici (che le donano un manicotto e le offrono un cordiale) e dell'amato Rodolfo. Mimì è apparentemente assopita, inizialmente nessuno si avvede della sua morte. Il primo ad accorgersene è Schaunard, che lo confida a Marcello. Nell'osservare gli sguardi e i movimenti degli amici, Rodolfo si rende conto che è finita e, ripetendo straziato il nome dell'amata, l'abbraccia piangendo.