La pel·lícula està ambientada a París en l'any 1900 .
Christian és un jove poeta burgès que decideix deixar la casa dels seus pares per a mudar-se a Montmatre. S'instal·la en una vella casa i allí coneix a un grup d'artistes i personatges singulars els quals li parlen del glamuros Moulin Rouge.
Saline és la principal estrella del local i la cortesana mes desitjada.
Zizler, l'empresari del cabaret, confia plenament en ella per a portar a terme el pla de convertir el local en un teatre però necessita un patrocinador de la talla del Duc de Monroth, el qual està d'acord, sempre que disposi dels favors de Saline,en canvi del seu finançament.
La destinació fa que Saline conegui a Christian del que s'enamora perdudament gràcies a un error. Ell cau rendit a la seva sensualitat i bellesa però tot s'acaba de cop i volta al descobrir que Christian no és realment el Duc. Quan el Duc està en l'habitació de Saline veu a Christian i improvisen una obra de teatre dient que ella és una cortesana índia, i ell es un jove escriptor, s'estimen però que Zizler és un Maharajà malvat que vol a la cortesana per sobre de tot.
L'obra tira endavant i la volen presentar davant de tota la burgesia de la ciutat. Però per ordres del Duc la cortesana s'havia de quedar amb el Maharajà i no tenir un final feliç.
Saline es veu entre un home que li ofereix l'amor vertader i el Duc, que disposa dels suficients diners per a fer realitat els seus somnis de convertir-se en actriu.
Però ella no sap que està molt malalta de tuberculosi i que la seva vida es va afeblint a poc a poc, ella realment estima a Christian però li va prometre a Zizler que tindra relacions amb el Duc perquè financi el Moulin Rouge però no pot fer-lo, està realment enamorada de Christian i no desitja tenir relacions amb el Duc àdhuc sabent que el Moulin Rouge està en perill.
Zizler li aconsella que el millor que pot fer és deixar a Christian però Saline li diu que li dóna igual la gent, no li importa gens del que li diguin. Zizler li diu que s'està morint. I que si no vol fer sofrir li digui que tot és mentida que mai l'estimat, ja que ella és una bona actriu perquè sinó el Duc cegat per la gelosia matarà a l'escriptor.
Arriba el dia de la funció i Christian assoleix reunir els diners per a assistir. Va a la recerca de Saline i li diu que perquè ell no pot pagar-li com fan tots, ella plorant li diu que es vagi, que mai li ha estimat i quan van a disparar a Christian per haver-se acostat a Saline s'obren les cortines del teatre i apareix ella plorant i ell reprotxant-li perquè no pot pagar-li. Zizler ha d'improvisar i dir que ell és l'escriptor, un dels protagonistes de l'obra. Cristian s'adona que no podrà lluitar contra el Duc i abandona la funció davant la mirades sorpreses de la gent. I ella plorant li canta la cançó que es va repetint al llarg de la pel·lícula. Canten junts i decideixen canviar el final, la cortesana es queda amb qui realment estima, però no per molt temps, perquè quan es tanquen les cortines, ella mor a causa de la seva malaltia i ell es queda plorant-li, abraçat a ella, amb tots els actors al seu al voltant.
Personatges
DUQUE DE MONROTH (Richard Roxburgh)
Dolent, molt dolent de la pel·lícula que vol la Satine per sobre de tot. El tenen mig enganyat durant tot el film.
HAROLD ZIDLER (Jim Broadbent)
Propietari del Moulin Rouge, un oportunista home de negocios de l'espectacle, capaç de sacrificar-ho tot pel seu somni: veure convertit el cabaret més famós de París en un teatre plé de público.
SATINE (Nicole Kidman)
És la vedette, la reina del Moulin Rouge, la millor ballarina de can-can ila cortesana de més alt rang de la ciutat. Pot semblar frivola i que només pensa en diamants i riqueses, però rera la seva aparent duresa i fredor s'amaga la delicadesa que li costarà la vida i que l'unirà al Christian fins a la mort.
CHRISTIAN (Ewan McGregor)
Jove escriptor idealista que renuncia a la seguritat de la seva família per viure bohemia dels artistes en el Montmartre parisi. Queda deslumbrat pels personatges curiosos que se li presenten fins que Satine no només el deslumbra sinó que li roba el cor i el porta a conèixer l'amor.
HENRY TOULOUSE-LAUTREC (John Leguizamo)
Pintor que va immortalitzar l'ambient del Moulin Rouge. A la pel·lícula, és personatge mig boig, bohemi, juerguista, amant de les dones i degustador d'absenta que actuarà de Celesti dels dos protagonistes.