二次世界大戰後的羅馬。坐落在鬧市區的職業介紹所門前人頭攢動，每天都聚集著無數求職的失業者。這天晌午，賦閑已達兩年之久的年輕人安東?裏奇忽然被叫到名字，原來他已被介紹到羅馬市政府所屬的廣告張貼所工作了，但是有個附帶條件，第二天他必須自帶自行車去上班，否則這份工作只好讓給別人。安東不敢怠慢，趕緊聲明自己有車，其實他的自行車早就送進當鋪了。他又興奮又發愁，壹路小跑回家，對妻子瑪麗亞說明原委。瘦小的瑪麗亞當機立斷，抽下床上鋪的床單洗凈疊好，連同陪嫁的床單，不論新舊，打成大包送進當鋪，隨即用典押得來的錢贖回自行車。回來的路上，瑪麗亞順便給看相的婦女送去酬謝的錢，因為安東找到工作的預言靈驗了。安東發現了直生氣，責怪她亂花錢。
第二天清早，安東壹家喜氣洋洋。八歲的兒子布魯諾天不亮就在為爸爸擦車了。瑪麗亞為他們父子倆準備了雞蛋餅。安東神采飛揚，騎車帶布魯諾上路，把他送到做清潔工的加油站，約好晚上七點鐘再來接他回家。
安東從廣告張貼所領了任務，騎車到街頭巷尾張貼廣告。壹位有經驗的工人指點了要領後，他獨自留下作業。因為是生手，工作不順利，他壹心在梯子上想把海報弄平，冷不防他那輛靠在路邊的車子被壹個小夥子騎上飛奔而去。安東發現後壹面追趕壹面高喊捉賊，卻被眼線幹擾，失去目標。安東來回尋找，壹無所獲，向警察局申訴又不得要領。他沮喪地轉悠了壹天，傍晚到加油站接布魯諾時早已誤點。布魯諾見父親徒步歸來，情知不妙，忍不住問起自行車下落。安東心煩意亂，支吾搪塞。他把兒子護送到家後急忙上工人俱樂部找正在排戲的好友白奧柯求援。白奧柯建議第二天壹早到維多利奧市場去找，因為偷車人可能在那兒脫手。
次日清晨，安東帶著布魯諾去和白奧柯以及另外兩個朋友會合，奔往維多利奧市場。他們開始時充滿信心，先大略看了壹下完整的自行車，然後五人分工察看部件，因為偷車人總是把車拆散了當零件賣。布魯諾的任務是察看車鈴。他們遍尋無著，突然發現有個小販正在漆車架，趕忙要看上面的號碼，小販心虛不讓，發生口角。安東把警察找來，驗證結果卻不是安東的那輛，小販得理，對安東等壹通訕笑。安東終於放棄在這裏找回自行車的打算，接受白奧柯的建議，與布魯諾轉移到寶太門市場附近碰運氣。到得寶太門，正巧遇上瓢潑大雨，把市場沖散了。布魯諾把小褂子頂在頭上擋雨，還在道邊摔了壹跤。父子倆擠在屋檐下人叢中躲雨，突然，安東發現那個偷車的小夥子騎車從身邊閃過，在不遠處停下和壹個老乞丐交談。他沖出高呼捉賊，布魯諾緊隨其後。大雨中街上無人幫忙，他們盡力追趕堵截無效，安東帶著兒子趕忙返回市場找老乞丐，看見他走到橋上，就上前盤問小夥子下落。老乞丐哪裏肯說，他掙脫了安東，奔跑起來，鉆進了壹座教堂。安東父子窮追不舍，也進了教堂。教堂裏正在施舍，原來老乞丐是這裏的常客。老乞丐為了擺脫安東並領到壹份菜湯，先讓行善的人刮臉，接著去做禮拜。安東緊盯不放，坐在他身旁，在禱告聲中不斷要老乞丐陪他壹起去找小夥子。老乞丐被纏不過，說了壹個地址，但無論如何都不答應陪他去。安東不依，老乞丐就故意請求讓他喝了那份菜湯再走。他們的吵鬧引來了人們的幹涉，老乞丐乘機溜掉了。安東父子到處奔跑尋找無著，出了教堂。
布魯諾奇怪老乞丐怎麽溜掉的，不覺自言自語：“他哪兒去了?”心煩意亂的安東聽了這話更煩了，不料孩子又懷著希望說：“咱們要是留在那邊，他們也會給咱們菜湯吧?”安東的神經再也支持不住，啪地打了兒子壹記耳光。安東打完又後悔又心疼，而布魯諾更是傷心透頂，他哭著離開了父親。盡管後來還是聽從父親的話繼續壹同尋找老乞丐，但始終都在委屈地哭著。他們又來到橋邊，安東讓布魯諾站在橋上，自己下到河邊找老乞丐。忽然聽到人們叫嚷有個孩子落水了，嚇得安東直奔橋底，等到看見撈上來的不是布魯諾，這才放心。安東回到布魯諾身邊，真不知怎麽對他親熱才好，他壹心想恢復原來父子間的和諧氣氛，但布魯諾仍固執地沈默著。安東決定請兒子上館子，布魯諾終於笑了。安東盡量滿足布魯諾“奢侈”的要求，仿佛兒子沒有出事就是今天最大的收獲似的。
安東囊中羞澀，未蔔前途，居然也學瑪麗亞的樣子去找看相婦人，看相婦人告訴他要馬上去找車子，否則壹輩子也找不到了，至於到哪裏去找，她也不知道。在偏僻的居民區壹家妓院附近，安東父子意外地撞上偷車賊迎面而來。他見到他們撒腿往妓院裏跑，父子兩人跟蹤進去，把他揪到街上。萬沒想到這裏圍觀的居民都是他的夥伴，偏偏這時他又倒地抽搐起來。居民紛紛為偷車賊開脫，對安東多方恫嚇和指責，盡管布魯諾叫來警察也無能為力。面對這壹張張充滿敵意的臉，安東只得知難而退。
安東父子又在街上逛蕩。布魯諾走累了，差點摔倒在汽車底下，於是坐在人行道邊憩息，附近體育場中正在舉行自行車競賽。場外停車處是看競賽的人留下的望不到盡頭的自行車行列。安東來回轉悠，四下打量，絕望使他陡地閃現出壹個念頭。他急速打發兒子回家，接著自己跨上壹輛單獨停靠在墻根的車子飛馳起來，但立即被車主發現，又被過路的人抓住拉下車來。人們對他又打又罵，車主還給了他壹記耳光。在站口等車的布魯諾發現，哭喊著“爸爸”趕來，死命抱住受盡淩辱的安東，為他撿起被打掉的帽子，哭哭啼啼地跟在那些要把他送到警察局去的人的後面。車主發現了布魯諾，定神看看這父子倆，突然要求大家把安東放了。
他們又慢慢地在街上蕩來蕩去。安東壹眼又壹眼地望望兒子，淚水順著臉頰流了下來。布魯諾緊緊握住父親的手，父親感到兒子的深情，也緊握住布魯諾的手。就這樣，他們越走越遠，消失在茫茫人海中間。