Dej filmu sa odohráva v roku 1900. Christian (hrá ho Ewan McGregor) je britský spisovateľ, ktorý prišiel do parížskej dediny Montmartre v roku 1899, keď bolo bohémske hnutie najpopulárnejšie. Sedí v byte a pozerá sa na zatvorené divadlo Moulin Rouge, pričom píše na písacom stroji. Príbeh, ktorý píše, je o žene, ktorú miloval, Satine (hrá ju Nicole Kidman).
V roku 1899 prichádza Christian do Paríža a spriatelí sa so skupinou bohémov, ktorí pravidelne navštevujú Moulin Rouge. Snažia sa vytvoriť muzikál s názvom "Spectacular Spectacular", ktorý majiteľ Moulin Rouge Harold Zidler (hrá ho Jim Broadbent) plánuje uviesť v kabarete. Vodca bohémov Toulouse-Lautrec (hrá ho John Leguizamo) je potešený Christianovým spisovateľským talentom a trvá na tom, aby napísal ich muzikál "Spectacular Spectacular". Keď zistia, že Christian je úžasný spisovateľ, vymyslia komplikovaný plán, ako Christiana predstaviť Satine, ktorá je krásna kurtizána, v nádeji, že na ňu urobí dojem a presvedčí Zidlera, aby Christiana najal ako autora muzikálu.
Satine chápe, čo jej práca obnáša, hoci dúfa, že z Moulin Rouge odíde a stane sa "skutočnou" herečkou. Vďaka sérii nedorozumení si pomýli Christiana s bohatým a mocným vojvodom, ktorý investuje do muzikálu "Veľkolepý spektákel". Je očarená jeho poéziou. Vyhlási, že sa doňho zamilovala, ale je šokovaná, keď zistí, že v skutočnosti je to chudobný český básnik.
Po chvíli skutočný vojvoda (hrá ho Richard Roburgh) nájde Christiana a Satine spolu. Podarí sa im ho oklamať a presvedčiť, že pracujú na muzikáli "Spectacular Spectacular". Príde hlavné obsadenie a na mieste improvizujú dej predstavenia: krásnu indickú kurtizánu napadne v jej kráľovstve "zlý maharadža". Ona sa ho vydá zviesť, aby zachránila svoje kráľovstvo, ale náhodou zvedie a potom sa zamiluje do bezvýznamného hráča na sitár. Obaja musia svoju lásku skrývať a vyhýbať sa maharadžovi, hoci sa naznačuje, že jeden z nich môže na konci príbehu zomrieť. (Čoskoro sa ukáže, že téma ich hry predznamenáva to, čo sa stane v deji filmu). Vojvoda súhlasí s podporou predstavenia. Rýchlo však ukáže, že je prudko žiarlivý muž, ktorý zatvorí Moulin Rouge, ak nedostane Satine pre seba. Napriek tomu súhlasí s tým, že Satine bude zaneprázdnená skúškami a v úzkom kontakte s Christianom, autorom muzikálu.
Christian a Satine sa do seba zamilujú, zatiaľ čo Zidler sa snaží udržať záujem vojvodu o muzikál "Spectacular Spectacular", hoci Satine s ním ešte nespala. Harold Zidler tiež zistí, že Satine zomiera na chorobu zvanú tuberkulóza, ale nikomu to nepovie, pretože sa riadi heslom: "Predstavenie musí pokračovať". Christian medzitým pokračuje v práci na hre, v ktorej spolu skončia kurtizána a bezvýznamný sitár. Vojvodovi sa však koniec nepáči a povie hercom, že kurtizána musí skončiť s maharadžom. Aby vojvodu presvedčila, aby zmenil názor, Satine nakoniec súhlasí, že s ním strávi noc. Kristiána premôže žiarlivosť, zatiaľ čo Satine večeria s vojvodom, ktorý jej ponúka všetko, o čom snívala. Keď však Satine zbadá Christiana na ulici pod sebou, odmietne vojvodovu ponuku a on sa ju pokúsi znásilniť. Po jej úteku Satine a Christian plánujú utiecť.
Vojvoda už pochopil Satine triky a povie Zidlerovi, že ak "maharadža" nedostane svoju "kurtizánu", dá "bezvýznamného sitára" zabiť. Napriek tomu musí Zidler informovať Satine o jej poslednej podmienke skôr, ako bude súhlasiť s tým, že sa vzdá plánu úteku. Ide za Christianom a klame mu, presviedča ho, že jej láska bola len hra, v nádeji, že ho to prinúti opustiť Paríž, a tak si zachráni život.
V úvode predstavenia Satine vystupuje unavene a vie, že jej život sa takmer skončil. Christian, ktorý sa odmieta vzdať Satine, ju konfrontuje v zákulisí. Keď sa ho opäť pokúsi vytlačiť, zaujme miesto hrdinu predstavenia, hodí jej k nohám peniaze, aby "zaplatila jeho kurvu", a odíde z javiska. Satine mu vyzná lásku v podobe jeho tajnej piesne a Christian a Satine sa pred očami publika a vojvodu dajú opäť dokopy. Vojvoda sa pokúsi Christiana zastreliť, ale Zidler ho donúti odísť. Diváci tlieskali tomu, čo považovali za dobrú drámu, ale v zákulisí Satine premôže choroba a zomiera Christianovi v náručí. Ako svoje posledné želanie požiada Christiana, aby vyrozprával ich príbeh.
O rok neskôr, stále vo svojom byte s výhľadom na prázdny červený veterný mlyn, Christian konečne napísal poslednú stranu svojho diela a ukončil ju dvojverším: "To najväčšie, čo sa kedy naučíš, je milovať a byť milovaný na oplátku."
