Um seine Familie zu ernähren, arbeitet Antonio Ricci als Tagelöhner in Rom. Von einem Arbeitsvermittler erhält er endlich eine langersehnte Arbeit als Plakatkleber. Zur Ausübung ist er allerdings auf den Besitz eines Fahrrades angewiesen, das er aber erst kürzlich verpfändet hat.

Kurzentschlossen bringt Antonios Frau die Bettwäsche zum Pfandleiher, um das Fahrrad wieder auszulösen. Antonio fährt also los, klebt die ersten Plakate. Dabei wird sein Fahrrad gestohlen. Er verfolgt den Dieb, kann ihn aber nicht stellen.

Antonio sieht seine Arbeit gefährdet und sucht in ganz Rom nach dem Fahrraddieb. Bei seiner Suche wird er von seinem kleinen Sohn begleitet, der seinen Vater in seiner Hilflosigkeit beobachtet, aber ihm auch beisteht. Durch einen Hinweis eines Bettlers glaubt Antonio, den Dieb gefunden zu haben. Der angebliche Dieb lebt in einer ähnlich prekären Lage wie Antonio selbst. Nachbarn, Bekannte und die Familie des vermeintlichen Diebes beschützen ihn und Antonio muss mit dem herbeigerufenen Polizisten erfolglos abziehen. Der Zuschauer bleibt im Unklaren, ob der Beschuldigte tatsächlich der Täter ist. Beim aufmerksamen Betrachten des Films wird klar, dass es sich tatsächlich um den wahren Dieb handelt. Er agierte in Zusammenarbeit mit zwei Komplizen. Gemeinsam spähten sie die Lage aus, woraufhin der Erste Antonio während des Diebstahls kurz aufhielt und der Zweite ihn auf eine falsche Fährte lenkte. Beide Komplizen sind auch bei der Konfrontation anwesend. Ein elegant gekleideter Herr, der überraschend im ärmlichen Viertel auftritt, macht den Eindruck eines Mafiosos, als Schutzpatron der lokalen Kleinkriminellen.

Weil Antonio keinen Ausweg mehr sieht, wird er am Ende selbst zum "Fahrraddieb". Er wird jedoch sofort gestellt, kann sich der Verhaftung aber entziehen, weil der Besitzer des Fahrrads auf eine Anzeige verzichtet. Sein Sohn beobachtet jedoch die Tat – ein beschämender Augenblick für Antonio und gleichzeitig Ende des Films. Aus dem Off sagt zur letzten Einstellung ein Erzähler, man müsse hoffen, dass die Menschen in Zukunft nach den Grundsätzen der "christlichen Solidarität" handeln.