Dans leur chambre sous les toits, Marcel s'efforce de peindre et Rodolphe de travailler ses poèmes, malgré le froid intense. Leurs amis Colline, le philosophe et Schaunard le musicien les rejoignent avec de l'argent et de la nourriture. Ils décident d'aller dîner au café Momus, en ce soir de Noël, après avoir expulsé leur propriétaire Benoît. Rodolphe, resté seul, est interrompu dans son travail par Mimi, une jeune voisine. Entre eux, c'est le coup de foudre immédiat et Mimi se joint au groupe d'artistes. Rodolphe, en chemin, lui offre un bandeau rose et au café tous sont joyeux, à l'exception de Marcel. C'est qu'il aime toujours Muguette, qui arrive alors au bras de son dernier protecteur. Ils se réconcilient et les deux couples connaissent le bonheur. Mais la jalousie de Rodolphe empoisonne la vie commune, et Mimi apprend indirectement qu'elle est condamnée, ce qui provoque le désespoir de son amant qu'elle quitte alors, tandis que Marcel et Muguette se brouillent à nouveau. Mimi, aidée de Muguette, reviendra mourir dans sa mansarde, retrouvant l'amitié fidèle des jeunes gens, et l'amour de Rodolphe qu'elle n'a cessé d'aimer.