En Nochebuena, el poeta Rodolfo y el pintor Marcello queman en la estufa el manuscrito del drama de Rodolfo para calentarse. Cuando sus amigos marchan al Café Momus, Rodolfo se queda solo y oye llamar a la puerta: es su frágil vecina Mimì, cuya vela se ha apagado en la escalera. Tras caer su llave al suelo y apagarse ambas velas, Rodolfo encuentra la llave a oscuras, se la guarda en el bolsillo, toma su mano helada («Che gelida manina») y le cuenta que es poeta. Mimì responde con su historia («Sì, mi chiamano Mimì») antes de fundirse ambos en el dúo «O soave fanciulla». En el Café Momus, Rodolfo compra a Mimì una cofia rosa («la cuffietta rosa») y la presenta a sus amigos. De pronto aparece Musetta, antiguo amor de Marcello, del brazo del pomposo anciano consejero Alcindoro. Furiosa porque Marcello finge ignorarla, Musetta canta un provocativo vals sobre cómo todos los hombres la devoran con la mirada por la calle («Quando me'n vo' soletta per la via»). Cuando Marcello se rinde, Musetta finge que le aprieta el zapato, envía al viejo Alcindoro al zapatero —dejándole la cuenta de toda la mesa— y se arroja en brazos de Marcello. En un alba nevada de febrero en la Barrière d'Enfer (Cuadro III), Mimì oye sin querer a Rodolfo confesar a Marcello la verdadera razón de sus celos fingidos: ¡Mimì se muere de tuberculosis y la helada buhardilla de Rodolfo la está matando! Entre lágrimas, Mimì sale y se despide de él sin rencor («Donde lieta uscì... Addio, senza rancor»), aunque acuerdan esperar hasta la primavera para separarse. En el Cuadro IV, moribunda, Mimì regresa por última vez a la buhardilla de Rodolfo. Colline empeña su viejo gabán («Vecchia zimarra») y Musetta vende sus pendientes para comprar medicinas y un manguito; a solas con Rodolfo («Sono andati?»), Mimì recuerda su primer encuentro y muere dulcemente.