二次世界大战后的罗马。坐落在闹市区的职业介绍所门前人头攒动，每天都聚集着无数求职的失业者。这天晌午，赋闲已达两年之久的年轻人安东?里奇忽然被叫到名字，原来他已被介绍到罗马市政府所属的广告张贴所工作了，但是有个附带条件，第二天他必须自带自行车去上班，否则这份工作只好让给别人。安东不敢怠慢，赶紧声明自己有车，其实他的自行车早就送进当铺了。他又兴奋又发愁，一路小跑回家，对妻子玛丽亚说明原委。瘦小的玛丽亚当机立断，抽下床上铺的床单洗净叠好，连同陪嫁的床单，不论新旧，打成大包送进当铺，随即用典押得来的钱赎回自行车。回来的路上，玛丽亚顺便给看相的妇女送去酬谢的钱，因为安东找到工作的预言灵验了。安东发现了直生气，责怪她乱花钱。
第二天清早，安东一家喜气洋洋。八岁的儿子布鲁诺天不亮就在为爸爸擦车了。玛丽亚为他们父子俩准备了鸡蛋饼。安东神采飞扬，骑车带布鲁诺上路，把他送到做清洁工的加油站，约好晚上七点钟再来接他回家。
安东从广告张贴所领了任务，骑车到街头巷尾张贴广告。一位有经验的工人指点了要领后，他独自留下作业。因为是生手，工作不顺利，他一心在梯子上想把海报弄平，冷不防他那辆靠在路边的车子被一个小伙子骑上飞奔而去。安东发现后一面追赶一面高喊捉贼，却被眼线干扰，失去目标。安东来回寻找，一无所获，向警察局申诉又不得要领。他沮丧地转悠了一天，傍晚到加油站接布鲁诺时早已误点。布鲁诺见父亲徒步归来，情知不妙，忍不住问起自行车下落。安东心烦意乱，支吾搪塞。他把儿子护送到家后急忙上工人俱乐部找正在排戏的好友白奥柯求援。白奥柯建议第二天一早到维多利奥市场去找，因为偷车人可能在那儿脱手。
次日清晨，安东带着布鲁诺去和白奥柯以及另外两个朋友会合，奔往维多利奥市场。他们开始时充满信心，先大略看了一下完整的自行车，然后五人分工察看部件，因为偷车人总是把车拆散了当零件卖。布鲁诺的任务是察看车铃。他们遍寻无着，突然发现有个小贩正在漆车架，赶忙要看上面的号码，小贩心虚不让，发生口角。安东把警察找来，验证结果却不是安东的那辆，小贩得理，对安东等一通讪笑。安东终于放弃在这里找回自行车的打算，接受白奥柯的建议，与布鲁诺转移到宝太门市场附近碰运气。到得宝太门，正巧遇上瓢泼大雨，把市场冲散了。布鲁诺把小褂子顶在头上挡雨，还在道边摔了一跤。父子俩挤在屋檐下人丛中躲雨，突然，安东发现那个偷车的小伙子骑车从身边闪过，在不远处停下和一个老乞丐交谈。他冲出高呼捉贼，布鲁诺紧随其后。大雨中街上无人帮忙，他们尽力追赶堵截无效，安东带着儿子赶忙返回市场找老乞丐，看见他走到桥上，就上前盘问小伙子下落。老乞丐哪里肯说，他挣脱了安东，奔跑起来，钻进了一座教堂。安东父子穷追不舍，也进了教堂。教堂里正在施舍，原来老乞丐是这里的常客。老乞丐为了摆脱安东并领到一份菜汤，先让行善的人刮脸，接着去做礼拜。安东紧盯不放，坐在他身旁，在祷告声中不断要老乞丐陪他一起去找小伙子。老乞丐被缠不过，说了一个地址，但无论如何都不答应陪他去。安东不依，老乞丐就故意请求让他喝了那份菜汤再走。他们的吵闹引来了人们的干涉，老乞丐乘机溜掉了。安东父子到处奔跑寻找无着，出了教堂。
布鲁诺奇怪老乞丐怎么溜掉的，不觉自言自语：“他哪儿去了?”心烦意乱的安东听了这话更烦了，不料孩子又怀着希望说：“咱们要是留在那边，他们也会给咱们菜汤吧?”安东的神经再也支持不住，啪地打了儿子一记耳光。安东打完又后悔又心疼，而布鲁诺更是伤心透顶，他哭着离开了父亲。尽管后来还是听从父亲的话继续一同寻找老乞丐，但始终都在委屈地哭着。他们又来到桥边，安东让布鲁诺站在桥上，自己下到河边找老乞丐。忽然听到人们叫嚷有个孩子落水了，吓得安东直奔桥底，等到看见捞上来的不是布鲁诺，这才放心。安东回到布鲁诺身边，真不知怎么对他亲热才好，他一心想恢复原来父子间的和谐气氛，但布鲁诺仍固执地沉默着。安东决定请儿子上馆子，布鲁诺终于笑了。安东尽量满足布鲁诺“奢侈”的要求，仿佛儿子没有出事就是今天最大的收获似的。
安东囊中羞涩，未卜前途，居然也学玛丽亚的样子去找看相妇人，看相妇人告诉他要马上去找车子，否则一辈子也找不到了，至于到哪里去找，她也不知道。在偏僻的居民区一家妓院附近，安东父子意外地撞上偷车贼迎面而来。他见到他们撒腿往妓院里跑，父子两人跟踪进去，把他揪到街上。万没想到这里围观的居民都是他的伙伴，偏偏这时他又倒地抽搐起来。居民纷纷为偷车贼开脱，对安东多方恫吓和指责，尽管布鲁诺叫来警察也无能为力。面对这一张张充满敌意的脸，安东只得知难而退。
安东父子又在街上逛荡。布鲁诺走累了，差点摔倒在汽车底下，于是坐在人行道边憩息，附近体育场中正在举行自行车竞赛。场外停车处是看竞赛的人留下的望不到尽头的自行车行列。安东来回转悠，四下打量，绝望使他陡地闪现出一个念头。他急速打发儿子回家，接着自己跨上一辆单独停靠在墙根的车子飞驰起来，但立即被车主发现，又被过路的人抓住拉下车来。人们对他又打又骂，车主还给了他一记耳光。在站口等车的布鲁诺发现，哭喊着“爸爸”赶来，死命抱住受尽凌辱的安东，为他捡起被打掉的帽子，哭哭啼啼地跟在那些要把他送到警察局去的人的后面。车主发现了布鲁诺，定神看看这父子俩，突然要求大家把安东放了。
他们又慢慢地在街上荡来荡去。安东一眼又一眼地望望儿子，泪水顺着脸颊流了下来。布鲁诺紧紧握住父亲的手，父亲感到儿子的深情，也紧握住布鲁诺的手。就这样，他们越走越远，消失在茫茫人海中间。