圣诞夜，诗人鲁道夫与画家马切洛把鲁道夫写的剧本手稿投进火炉取暖。好友们先行前往莫姆斯咖啡馆后，独自留下写稿的鲁道夫听见轻柔的敲门声：邻居姑娘咪咪的蜡烛在楼梯间被风吹灭，特来借火。当咪咪不慎遗落房门钥匙、两人的蜡烛又双双熄灭时，鲁道夫在黑暗中摸到了钥匙并悄悄揣入自己口袋，握住她冰凉的小手唱起《冰凉的小手》（Che gelida manina）；咪咪也羞涩地回唱《人们叫我咪咪》（Sì, mi chiamano Mimì），两人在洒满月光的阁楼中合唱《啊，美丽的姑娘》（O soave fanciulla）。 在莫姆斯咖啡馆外，鲁道夫为咪咪买了一顶粉红小帽（la cuffietta rosa），并将她介绍给众好友。突然，马切洛的旧情人穆塞塔挽着脑满肠肥的阔老头阿尔钦多罗招摇登场。见马切洛故意装作不理睬她，穆塞塔当众唱起撩人的圆舞曲，炫耀自己独自走上街头时男人们如何目不转睛地盯着她（《当我独自漫步街头》）。见马切洛终于按捺不住，穆塞塔谎称鞋子磨脚，把阔老头支去鞋匠铺——顺便把整桌人的巨额账单全算在老头账上！——随后飞奔投入马切洛怀中。 在二月风雪交加的黎明，咪咪来到“地狱关卡”寻找马切洛（第三幕），却无意间听到鲁道夫向马切洛哭诉自己故意找茬吵架的真相：咪咪的肺结核已近绝症，而鲁道夫四面漏风的冰冷阁楼正在加速她的死亡！泪流满面的咪咪现身，毫无怨恨地向鲁道夫温柔告别（《她曾满怀喜悦走出……再见，毫无怨尤》），两人最终约定等到春暖花开时再分手。第四幕中，濒死的咪咪请求回到鲁道夫的阁楼。哲学家科利纳当掉心爱的旧大衣（《古老的大衣》），穆塞塔卖掉耳环买来药物和暖手筒；与鲁道夫独处时（《他们都走了吗？》），咪咪重温圣诞夜初遇的回忆，在睡梦中悄然离世。