Děj filmu se odehrává v roce 1900. Christian (hraje ho Ewan McGregor) je britský spisovatel, který přišel do pařížské vesnice Montmartre v roce 1899, kdy bylo bohémské hnutí nejpopulárnější. Sedí v bytě a dívá se dolů na zavřené divadlo Moulin Rouge, zatímco píše na psacím stroji. Příběh, který píše, je o ženě, kterou miloval, Satine (hraje ji Nicole Kidmanová).
V roce 1899 přijíždí Christian do Paříže a spřátelí se se skupinou bohémů, kteří pravidelně navštěvují Moulin Rouge. Ti se snaží nastudovat muzikál s názvem "Spectacular Spectacular", který majitel Moulin Rouge Harold Zidler (hraje ho Jim Broadbent) plánuje uvést v kabaretu. Vůdce bohémů Toulouse-Lautrec (hraje ho John Leguizamo) je potěšen Christianovým spisovatelským talentem a trvá na tom, aby napsal jejich muzikál "Spectacular Spectacular". Jakmile zjistí, že Christian je úžasný spisovatel, vymyslí komplikovaný plán, jak Christiana představit krásné kurtizáně Satine v naději, že na ni udělá dojem a přesvědčí Zidlera, aby Christiana najal jako autora muzikálu.
Satine chápe, co její práce obnáší, ačkoli doufá, že z Moulin Rouge odejde a stane se "skutečnou" herečkou. Díky řadě nedorozumění si splete Christiana s bohatým a mocným vévodou, který investuje do muzikálu "Spectacular Spectacular". Je okouzlena jeho poezií. Prohlásí, že se do něj zamilovala, ale je šokována, když zjistí, že je to ve skutečnosti chudý český básník.
Po chvíli skutečný vévoda (v podání Richarda Roburgha) najde Christiana a Satine spolu. Podaří se jim ho oklamat a přesvědčit, že pracují na muzikálu "Spectacular Spectacular". Přijde hlavní herecké obsazení a na místě improvizuje děj představení: krásnou indickou kurtizánu napadne v jejím království "zlý mahárádža". Ona se ho vydá svést, aby zachránila své království, ale omylem svede a pak se zamiluje do nemajetného hráče na sitár. Oba musí svou lásku skrývat a vyhýbat se mahárádžovi, i když je naznačeno, že jeden z nich může na konci příběhu zemřít. (Brzy se ukáže, že námět jejich hry předznamenává to, co se stane v ději filmu). Vévoda souhlasí s podporou představení. Rychle se však ukáže, že je to prudce žárlivý muž, který Moulin Rouge zavře, pokud Satine nedostane pro sebe. Přesto souhlasí s tím, že Satine bude zaměstnána zkouškami a v úzkém kontaktu s Christianem, autorem muzikálu.
Christian a Satine se do sebe zamilují, zatímco Zidler se snaží udržet vévodův zájem o muzikál "Spectacular Spectacular", přestože s ním Satine ještě nespala. Harold Zidler také zjistí, že Satine umírá na nemoc zvanou tuberkulóza, ale nikomu to neřekne, protože se řídí heslem: "Show musí pokračovat". Christian mezitím pokračuje v práci na divadelní hře, v níž spolu skončí kurtizána a nemajetný sitárista. Vévodovi se však konec nelíbí a řekne hercům, že kurtizána musí skončit s mahárádžou. Aby vévodu přesvědčila, aby změnil názor, Satine nakonec souhlasí, že s ním stráví noc. Kristiána přemáhá žárlivost, zatímco Satine večeří s vévodou, který jí nabízí vše, o čem snila. Když však Satine spatří dole na ulici Christiana, odmítne vévodovu nabídku a on se ji pokusí znásilnit. Poté, co jí unikne, Satine a Christian plánují útěk.
Vévoda už pochopil Satininy triky a řekne Zidlerovi, že pokud "mahárádža" nedostane svou "kurtizánu", nechá "nemajetného sítaře" zabít. Zidler nicméně musí Satine sdělit její poslední podmínku, než bude souhlasit s tím, že se vzdá plánu útěku. Jde za Christianem, lže mu a přesvědčuje ho, že její láska byla jen přetvářka, v naději, že ho to přiměje k odchodu z Paříže, a tím mu zachrání život.
V úvodu představení Satine unaveně vystupuje a ví, že její život se blíží ke konci. Christian, který se Satine odmítá vzdát, ji konfrontuje v zákulisí. Když se ho pokusí znovu vystrnadit, zaujme místo hrdiny představení, hodí jí k nohám peníze, aby "zaplatila jeho děvce", a vyrazí z jeviště. Satine mu vyzná lásku v podobě jeho tajné písně a Christian a Satine se k sobě vrátí před zraky diváků a vévody. Vévoda se pokusí Christiana zastřelit, ale Zidler ho donutí odejít. Publikum tleská tomu, co považuje za dobré drama, ale v zákulisí Satine přemůže nemoc a umírá Christianovi v náručí. Jako své poslední přání požádá Christiana, aby vyprávěl jejich příběh.
O rok později, stále ve svém bytě s výhledem na prázdný červený větrný mlýn, Christian konečně napsal poslední stránku svého díla a zakončil ji dvojverším: "Největší věc, kterou se kdy naučíš, je prostě milovat a být milován na oplátku."
