ACTE I
Dans leur mansarde du Quartier Latin, le soir de Noël, le peintre Marcel et le poète Rodolphe tentent de ranimer le feu, qui avec une chaise, qui avec le manuscrit de son drame. Ils sont rejoints par leurs compagnons de bohème, le philosophe Colline et le musicien Schaunard qui a gagné de quoi réveillonner. Une fois le logeur Benoît éconduit, les bohèmes s'en vont au Café Momus, sauf Rodolphe, qui a un article à rédiger. Mais sa voisine, la cousette Mimi, vient quérir du feu pour sa bougie, et s'évanouit de fatigue. Rodolphe conte sa vie («Che gelida manina») et Mimi la sienne («Si, mi chiamano Mimi») et les jeunes gens s'avouent leur amour naissant (duo «O soave fanciulla») avant de rejoindre leurs amis chez Momus.
ACTE II
Au Café Momus, les bohèmes sont rejoints inopinément par Musette, l'ancienne maîtresse de Marcel, qu'accompagne un vieux beau, Alcindoro (ou SaintPhar). Musette use de toute sa séduction (valse «Quando men vo») et reconquiert aisément Marcel, laissant à son vieux galant le soin de régler l'addition de tout le groupe d'amis.
ACTE III
Une aube glacée à la barrière d'Enfer. Mimi vient confier à Marcel que sa vie commune avec Rodolphe est devenue difficile en raison de la jalousie de ce dernier. Marcel sermonne Rodolphe, mais apprend que celuici, sachant Mimi phtisique, préfère la rendre à une vie plus confortable. Mimi, bouleversée, fait ses adieux à son amant («Donde lieta usci»), mais tous deux sursoient encore à leur séparation, tandis que Marcel et Musette se querellent (quatuor «Addio, dolce svegliare»).
ACTE IV
La mansarde du 1er acte. Du temps a passé. Rodolphe et Marcel, incapables de travailler, évoquent leurs maîtresses perdues («O, Mimi tu più non torni»). Colline et Schaunard les rejoignent, tout aussi démunis qu'eux, se distrayant de la misère commune par des facéties. Mais soudain Musette survient, amenant Mimi quasi mourante. Musette part vendre ses bijoux et Colline sa houppelande («Vecchia zimarra») pour pouvoir quérir un médecin. Après de bouleversants adieux («Sono andati»), Mimi expire dans les bras de Rodolphe.