En el barrio romano de Val Melaina, después de la Segunda Guerra Mundial, Antonio Ricci (Lamberto Maggiorani) está desesperado por conseguir un trabajo para mantener a su mujer María (Lianella Carell), a su hijo Bruno (Enzo Staiola) y a su pequeño bebé. Le ofrecen un trabajo de pegador de billetes de publicidad, pero le dice a María que no puede aceptar porque el trabajo requiere una bicicleta. María se empeña en despojar a la cama de sus sábanas de dote -bienes preciados para una familia pobre- y las lleva a la casa de empeño, donde le dan lo suficiente para canjear la bicicleta empeñada de Antonio.

En su primer día de trabajo, Antonio está subido a una escalera cuando un joven (Vittorio Antonucci) le arrebata la bicicleta. Antonio lo persigue, pero los cómplices del ladrón lo despistan. La policía le advierte que no puede hacer mucho. Avisado de que los objetos robados suelen aparecer en el mercado de Piazza Vittorio, Antonio acude allí con varios amigos y con Bruno. Encuentran una bicicleta que podría ser de Antonio, pero los números de serie no coinciden.

En el mercado de Porta Portese, Antonio y Bruno descubren al ladrón con un anciano. El ladrón los elude y el anciano finge ignorancia. Le siguen hasta una iglesia, donde también se les escapa.

En un encuentro posterior con el ladrón, Antonio lo persigue hasta un burdel, cuyos habitantes los expulsan. En la calle, los vecinos hostiles se reúnen mientras Antonio acusa al ladrón, que convenientemente cae en un ataque del que la multitud culpa a Antonio. Bruno llama a un policía, que registra el apartamento del ladrón sin éxito. El policía le dice a Antonio que el caso es débil: Antonio no tiene testigos y los vecinos están seguros de proporcionar al ladrón una coartada. Antonio y Bruno se marchan desesperados entre abucheos y amenazas de la multitud.

De camino a casa, caminan cerca del estadio de fútbol Stadio Nazionale PNF. Antonio ve una bicicleta desatendida cerca de un portal y, tras un angustioso examen de conciencia, indica a Bruno que tome el tranvía hasta una parada cercana y espere. Antonio rodea la bicicleta desatendida y salta sobre ella. Al instante se produce un alboroto y Bruno, que ha perdido el tranvía, se queda atónito al ver a su padre perseguido, rodeado y tirado de la bicicleta. Mientras Antonio es empujado hacia la comisaría, el propietario de la bicicleta se da cuenta de Bruno y, en un momento de compasión, dice a los demás que suelten a Antonio.

Antonio y Bruno se alejan lentamente en medio de la multitud. Antonio se resiste a llorar y Bruno le coge de la mano. La cámara observa desde atrás cómo desaparecen entre la multitud.