Roma, 1948: la ciudad no es el mero escenario, sino una protagonista más de la historia.Devastada por la guerra, acaba de empezar su lento camino hacia la reconstrucción. Estamos en Val Melaina, extrema periferia con nuevos edificios habitados por familias pobres, en las que la guerra ha dejado las heridas sociales más profundas. 
Antonio Ricci, obrero y padre de familia, tras un largo periodo de paro consigue un trabajo como cartelero municipal, pero para realizarlo necesita una bicicleta, y la suya está empeñada en el montepío. Rescata la bicicleta a costa de las sábanas de su casa, que su esposa María le entrega con la esperanza puesta en el futuro sueldo. Sin embargo, en cuanto pega el cartel cinematográfico de Rita Hayworth, dos majaderos se la roban. Comienza así una triste peregrinación por Roma en compañía de su pequeño hijo Bruno. Lo único que obtiene es la indiferencia general; primero en la comisaría, donde los agentes tienen cosas más importantes en la cabeza que encontrar la bicicleta de un pobretón; después en Piazza Vittorio y Porta Portese, humildes mercadillos donde cada uno se apaña como puede. La búsqueda continúa por las calles de una ciudad atiborrada y apática. Antonio entra en una iglesia persiguiendo a un pobre viejo, con la esperanza de obtener información sobre su bicicleta. Durante la misa, una señora con sombrero y velo blanco reparte con aire de suficiencia bonos para comer. El deambular sumiso se va haciendo desesperado. Frente al estadio, Antonio decide robar una bicicleta pero la multitud lo persigue y lo apresa. Sólo las lágrimas de Bruno evitan que termine en la cárcel. Antonio y Bruno caminan derrotados mientras la ciudad se va haciendo cada vez más oscura y hostil.