Antonio Ricci é um trabalhador da classe operária que se encontra há dois anos desempregado na Itália do pós-guerra. Roma segue arrasada. Existe uma vaga de emprego como colador de cartazes da prefeitura. Mas para a vaga é necessário que se possua uma bicicleta. No início ele pestaneja e diz ao empregador que não tem o meio de transporte. Mas ao se dar conta da situação muda o que acabou de dizer.
Ele tinha uma bicicleta que estava na casa de penhores. Aquele trabalho significa tudo para Antonio. É a salvação da sua família. Ele está obstinado e diz ao homem que não pode esperar tanto tempo novamente.
Ao encontrar com Maria, Antonio conta a ela sobre a situação em que se vê envolvido. Na manhã seguinte terá de apresentar-se no trabalho. A mulher toma uma decisão. Puxa os lençóis da cama e os outros que eles têm guardados e que nem foram usados. E diz a ele que irão trocá-los no penhor.
Conseguem recuperar a bicicleta no prego. A alegria do filho Bruno não é menor que a do casal. Ele é apenas uma criança e já tem o seu trabalho regular. Com todo o empenho o menino ajuda o pai a preparar e limpar a bicicleta para o dia seguinte.
Feliz da vida Antonio apresenta-se no emprego. Mas ao colar um cartaz do filme Gilda com Rita Rayworth, a bicicleta que estava encostada é roubada. Antonio corre atrás do homem, mas não consegue alcançá-lo em sua corrida.
A partir daí, Antonio e seu filho vão em busca da bicicleta, na Roma abatida após o conflito, parece ser impossível sobreviver para pessoas como as que pertencem à família Ricci.
Bruno trabalha como um adulto. Se movimenta como um homem, e as suas preocupações estão longe de ser enquadradas como infantis. Pode ser encarado como parte da infância de uma época distante. Mas também, como meninos e meninas da atualidade, que em algumas cidades do mundo ainda trabalham nas ruas. Aqui não existem os culpados, ricos ou poderosos. Apenas os pobres.
Além do empregador da prefeitura, o poder público é representado pela presença de policiais. Antonio diz a um deles, você não sabe o que essa bicicleta representa para mim. Ele é recebido na delegacia por um homem que fica furioso por alguém pedir que procurem uma bicicleta. Eles têm mais o que fazer. Percebemos o quanto é comum o roubo das bicicletas. Existem ruas com feiras onde os ladrões vendem as suas peças. Se a polícia for sair em busca de todas as bicicletas que foram roubadas fará apenas isto.
Antonio persegue um velho que conversou com o rapaz que roubou a sua bicicleta. Adentra uma igreja onde é servida sopa e onde cortam o cabelo e a barba das pessoas, mediante a participação na missa. Bruno briga com o pai pois deseja comer. Leva um tapa no rosto num momento de destempero. O homem a quem Antonio pede ajuda, e que parece exercer liderança na comunidade em que vive, é um simples trabalhador da recolha do lixo.
O tapa que Bruno levou será amenizado com um momento de extravagância. Eles irão comer pizza, e beber o vinho que o pai oferece ao garoto. Um menino que toca uma espécie de sanfona leva um chute de um colador de cartazes. Um homem expulsa Bruno bruscamente enquanto ele procura as peças da bicicleta. Um padre dá um cascudo em sua cabeça quando ele abre o pano do confessionário. Outro oferece coisas a Bruno e parece querer levar o garoto para uma cilada.
Antonio quase é linchado pela população da rua em que o ladrão de sua bicicleta mora. É cercado quando Bruno consegue chamar um agente. Finalmente Antonio consegue confrontá-lo com um policial que faz uma série de exigências para prender o infrator. Ele quer testemunhas. Antonio desiste. Não vai conseguir recuperar a sua bicicleta.
É domingo. Dia de futebol. Antonio vê uma multidão de bicicletas no centro da cidade. Ele pede a Bruno que volte para casa. Vai pestanejar durante muito tempo. Andando de um lado para o outro na frente do garoto que parece perceber as intenções do pai. O menino vai pegar o bonde sozinho. Não conseguiu chegar a tempo. O pai foi roubar uma bicicleta. Não consegue fugir. É perseguido pelo dono da bicicleta, e por uma multidão que grita em sua direção. Novamente é cercado e quase espancado. É acusado de roubo. A situação inverteu-se aqui. Agora é ele quem precisa roubar.
O menino vê a situação do pai. Entra em desespero. O homem tem a mesma atitude que Antonio teve anteriormente. Não vai denunciá-lo pelo furto. É um pobre diabo. Antonio ganha uma lição de moral. Que exemplo ele quer dar para o seu filho? De Sica mostra com este filme como a situação social e o desespero podem transformar uma pessoa. É um filme poético em sua crueza. Existe um ditado no Brasil que diz, a ocasião faz o ladrão. Neste caso a frase fala sobre a oportunidade do delito fácil, e sem punições. Aqui ela parece combinar com a necessidade instada pelo desespero.