Acțiunea filmului este plasată în anul 1900. Christian (interpretat de Ewan McGregor) este un scriitor britanic care a venit în satul Montmartre din Paris în 1899, când mișcarea boemă era la cea mai mare popularitate. El stă într-un apartament și privește de sus spre teatrul închis numit Moulin Rouge, în timp ce scrie la o mașină de scris. Povestea pe care o scrie este despre femeia pe care a iubit-o, Satine (interpretată de Nicole Kidman).
În 1899, Christian ajunge la Paris și se împrietenește cu un grup de boemi care vizitează regulat Moulin Rouge. Aceștia încearcă să producă un musical numit "Spectacular Spectacular", pe care proprietarul Moulin Rouge, Harold Zidler (interpretat de Jim Broadbent), intenționează să îl prezinte la cabaret. Liderul Bohemians, Toulouse-Lautrec (interpretat de John Leguizamo), este încântat de talentul de scriitor al lui Christian și insistă ca acesta să scrie musicalul lor, "Spectacular Spectacular". După ce află că Christian este un scriitor extraordinar, ei pun la cale un plan complicat de a-l prezenta pe Christian lui Satine, care este o frumoasă curtezană, în speranța că aceasta va fi impresionată de el și îl va convinge pe Zidler să-l angajeze pe Christian ca scriitor al musicalului.
Satine înțelege ce presupune munca ei, deși speră să plece de la Moulin Rouge pentru a deveni o actriță "adevărată". Printr-o serie de neînțelegeri, ea îl confundă pe Christian cu bogatul și puternicul duce care va investi în musicalul "Spectacular Spectacular". Ea este fermecată de poezia lui. Ea declară că s-a îndrăgostit de el, dar este șocată când își dă seama că el este de fapt un poet boem sărac.
După un timp, adevăratul Duce (interpretat de Richard Roburgh) îi găsește pe Christian și Satine împreună. Aceștia reușesc să-l păcălească, făcându-l să creadă că lucrează la musicalul "Spectacular Spectacular". Distribuția principală sosește și improvizează pe loc intriga spectacolului: o frumoasă curtezană indiană are regatul invadat de un "maharaja malefic". Ea își propune să îl seducă pentru a-și salva regatul, dar din greșeală seduce și apoi se îndrăgostește de un cântăreț de sitar fără bani. Cei doi trebuie să își ascundă dragostea și să îl evite pe maharaja, deși se subînțelege că unul dintre ei ar putea muri la sfârșitul poveștii. (În curând se realizează că tema piesei lor prefigurează ceea ce se întâmplă în intriga filmului). Ducele este de acord să susțină spectacolul. Dar, el arată rapid că este un om violent de gelos, care va închide Moulin Rouge dacă nu o va avea pe Satine pentru el. Cu toate acestea, el acceptă ca Satine să fie ocupată cu repetițiile și în strânsă legătură cu Christian, scenaristul musicalului.
Christian și Satine se îndrăgostesc, în timp ce Zidler se străduiește să-l mențină pe Duce interesat de musicalul "Spectacular Spectacular", chiar dacă Satine nu s-a culcat încă cu el. Harold Zidler descoperă, de asemenea, că Satine este pe moarte din cauza unei boli numite tuberculoză, dar nu spune nimănui din cauza motto-ului său, "The show must go on". Între timp, Christian continuă să lucreze la piesa de teatru, în care curtezana și cântărețul de sitar fără bani ajung să fie împreună. Ducele, însă, nu apreciază finalul și le spune celor din distribuție că curtezana trebuie să sfârșească cu maharajahul. Pentru a-l convinge pe duce să se răzgândească, Satine acceptă în cele din urmă să petreacă noaptea cu el. Christian este copleșit de gelozie în timp ce Satine ia cina cu ducele, care îi oferă tot ce a visat. Cu toate acestea, când Satine îl zărește pe Christian pe strada de jos, refuză oferta Ducelui, iar acesta încearcă să o violeze. După ce ea scapă, Satine și Christian plănuiesc să fugă.
Între timp, ducele și-a dat seama de șiretlicurile lui Satine și îi spune lui Zidler că, dacă "maharajahul" nu-și obține "curtezana", va dispune uciderea "cântărețului de sitar fără bani". Cu toate acestea, Zidler trebuie să o informeze pe Satine de ultima condiție înainte ca aceasta să fie de acord să renunțe la planul de evadare. Ea se duce la Christian și îl minte, convingându-l că dragostea ei a fost un act în speranța că acest lucru îl va face să vrea să părăsească Parisul și, prin urmare, să-i salveze viața.
În deschiderea spectacolului, Satine cântă obosită, știind că viața ei este pe sfârșite. Christian, care refuză să renunțe la Satine, o confruntă în culise. Când ea încearcă din nou să-l forțeze să plece, el ia locul eroului spectacolului, aruncându-i bani la picioare pentru a-și "plăti târfa" și părăsind scena în trombă. Satine își mărturisește dragostea pentru el sub forma cântecului său secret, iar Christian și Satine se împacă din nou în văzul publicului și al Ducelui. Ducele încearcă să îl împuște pe Christian, dar Zidler îl obligă să plece. Publicul aplaudă ceea ce crede că este o dramă bună, dar în culise, Satine este copleșită de boală și moare în brațele lui Christian. Ca ultimă dorință, ea îi cere lui Christian să îi spună povestea lor.
Un an mai târziu, tot în apartamentul său cu vedere spre moara de vânt roșie și goală, Christian a scris în sfârșit ultima pagină a lucrării sale, încheind-o cu cupletul: "Cel mai mare lucru pe care îl vei învăța vreodată este să iubești și să fii iubit la rândul tău".
