Действие фильма разворачивается в 1900 году. Кристиан (его играет Юэн МакГрегор) - британский писатель, приехавший в деревню Монмартр в Париже в 1899 году, когда богемное движение было самым популярным. Он сидит в квартире и смотрит вниз на закрытый театр под названием "Мулен Руж", пока пишет на пишущей машинке. История, которую он пишет, рассказывает о женщине, которую он любил, Сатине (которую играет Николь Кидман).
В 1899 году Кристиан приезжает в Париж и дружит с группой богемцев, которые регулярно посещают Мулен Руж. Они пытаются продюсировать мюзикл под названием "Spectacular Spectacular", который владелец Moulin Rouge Гарольд Зидлер (в исполнении Джима Бродбента) планирует показать в кабаре. Лидер богемы Тулуз-Лотрек (в исполнении Джона Легуизамо) доволен талантом Кристиана в написании мюзикла и настаивает на том, чтобы он написал их мюзикл "Spectacular Spectacular". Как только они узнают, что Кристиан - удивительный писатель, они придумывают сложный план представления Кристиана Сатине, которая является прекрасной куртизанкой, в надежде, что она будет впечатлена им и убедить Зидлера нанять Кристиана в качестве писателя мюзикла.
Сатин понимает, в чем заключается ее работа, хотя и надеется покинуть Мулен Руж, чтобы стать "настоящей" актрисой. Через ряд недоразумений, она ошибочно принимает Кристиана за богатого и могущественного герцога, который будет инвестировать в мюзикл "Spectacular Spectacular". Она очарована его поэзией. Она заявляет, что влюбилась в него, но шокирована осознанием того, что он на самом деле бедный богемный поэт.
Через некоторое время настоящий герцог (в исполнении Ричарда Робурга) находит Кристиана и Сатину вместе. Им удается обманом заставить его поверить в то, что они работали над мюзиклом "Spectacular Spectacular". Главный актерский состав прибывает и импровизирует сюжет шоу на месте: красивая индийская куртизанка вторгается в ее царство "злой махараджей". Она отправляется соблазнять его, чтобы спасти свое королевство, но случайно соблазняет, а затем влюбляется в бездарного ситариста. Эти двое должны скрыть свою любовь и избежать махараджи, хотя это подразумевает, что один из них может умереть в конце истории. (Вскоре понимается, что тема их пьесы предвосхищает то, что происходит по сюжету фильма). Герцог согласен поддержать спектакль. Но он быстро показывает, что является яростно ревнивым человеком, который закроет Мулен Руж, если не доставит Сатину к себе. Тем не менее, он соглашается, что Сатин будет занят репетициями и находится в тесном контакте с Кристианом, автором мюзикла.
Кристиан и Сатин влюбляются, в то время как Зидлер с трудом удерживает герцога от интереса к мюзиклу "Spectacular Spectacular", несмотря на то, что Сатин еще не спал с ним. Гарольд Цидлер также узнает, что Сатин умирает от болезни, называемой туберкулезом, но никому не говорит из-за своего девиза "Шоу должно продолжаться". Тем временем Кристиан продолжает работать над спектаклем, в котором куртизанка и бездарный ситарист оказываются вместе. Герцог, однако, не ценит концовку и говорит актерам, что куртизанка должна закончить с махараджей. Чтобы убедить герцога передумать, Сатин, наконец, соглашается провести с ним ночь. Христианина одолевает ревность, в то время как Сатин ужинает с Герцогом, который предлагает ей все, о чем она мечтала. Однако, когда Сатин замечает Кристиана на улице внизу, она отказывается от предложения Герцога, и он пытается изнасиловать ее. После того, как она сбегает, Сатин и Кристиан планируют сбежать.
К настоящему времени герцог понял уловки Сатины и сказал Зидлеру, что если "махараджа" не получит свою "куртизанку", он убьет "без гроша в кармане ситариста". Тем не менее, Зидлер должен сообщить Сатине о своем окончательном состоянии, прежде чем она согласится отказаться от плана побега. Она идет к Кристиану и лжет ему, убеждая его, что ее любовь была актом в надежде, что это заставит его хотеть уехать из Парижа и тем самым спасти свою жизнь.
Когда шоу открывается, Сатин выступает уставшей, зная, что ее жизнь почти закончилась. Кристиан, отказываясь отказаться от Сатины, сталкивается с ней за кулисами. Когда она снова пытается оттолкнуть его, он занимает место героя шоу, бросает к ее ногам деньги, чтобы "заплатить своей шлюхе", и штурмует сцену. Сатин признается в своей любви к нему в форме его тайной песни, и Кристиан и Сатин снова встречаются на виду у зрителей и герцога. Герцог пытается застрелить Кристиана, но Зидлер отталкивает его. Зрители аплодируют тому, что они считают хорошей драмой, но за кулисами, Сатин одолевает болезнь и умирает на руках у Кристиана. В качестве своего последнего желания она просит Кристиана рассказать их историю.
Год спустя, еще в своей квартире с видом на пустую красную ветряную мельницу, Кристиан, наконец, набрал последнюю страницу своей работы, заканчивая ее куплетом: "Самое великое, что вы когда-либо узнаете, это просто любить, и быть любимым в ответ".
