2차 대전 직후 이탈리아의 수도 로마의 거리. 오랜동안 일자리를 구하지 못하고 거리를 배회하던 안토니오는 우연히 직업 소개소를 통해 벽보를 붙이는 일거리를 얻는다. 그 일을 하기 위해선 자전거가 필요했고 이 사실을 안 아내 마리아는 남편의 직업을 위해 자신이 소중하게 간수했던 침대 시트를 전당포에 잡히고 자전거를 구한다. 직업을 갖게 된 안토니오와 아들 브르노는 기쁨을 참지 못한다. 이튿날 안토니오가 출근하여 벽보를 붙이는 사이에 한 사내가 자전거를 타고 도망친다. 도둑을 쫓다가 놓치고만 안토니오는 절망감을 안고 집으로 돌아온다. 안토니오는 다시 실직하게 된 것이다.

다음 날부터 안토니오 부자는 배고푼 것도 잊은 채 자전거를 찾으려 로마 거리를 배회한다. 로마의 고물 자전거점을 뒤져보나 찾을 수 없었다. 소나기를 피해있던 안토니오 부자는 자전거를 훔친 도둑을 보고 쫓아가나 또 놓치고 만다. 안토니오는 도둑과 잘 아는 노인을 찾아가지만 그도 거부한다. 안토니오 부자는 자전거를 못찾게 되자 서로 다투고 안토니오는 아들에게 손찌검까지 한다. 둘은 곧 화해를 하지만 자전거는 아직도 찾지 못했다.

그렇게 계속 찾아다니던 도중 도둑을 잡게 된다. 그러나 도둑은 간질병 환자이고 증거물인 안토니오의 자전거는 없다. 자전거를 찾을 수 없게 된 안토니오는 허탈한 마음으로 거리에 앉아 싸이클 경기를 보게된다. 자신의 생존 수단인 자전거가 지나가는 모습을 바라보다가 그도 자전거를 훔친다. 그러나 안토니오는 그 자리에서 잡혀 온갖 멸시와 모욕을 받다가 풀려난다. 해지는 로마 거리를 안토니오 부자는 좌절감을 가슴에 앉고 터벅 터벅 걸어 간다.