Η ταινία διαδραματίζεται το έτος 1900. Ο Christian (τον οποίο υποδύεται ο Ewan McGregor) είναι ένας Βρετανός συγγραφέας που ήρθε στο χωριό Μονμάρτη του Παρισιού το 1899, όταν το κίνημα των μποέμ ήταν στο πιο δημοφιλές του. Κάθεται σε ένα διαμέρισμα και κοιτάζει το κλειστό θέατρο που ονομάζεται Moulin Rouge, ενώ γράφει σε μια γραφομηχανή. Η ιστορία που γράφει αφορά τη γυναίκα που αγαπούσε, τη Satine (την οποία υποδύεται η Nicole Kidman).
Το 1899, ο Κρίστιαν φτάνει στο Παρίσι και γίνεται φίλος με μια ομάδα μποέμ που επισκέπτεται τακτικά το Moulin Rouge. Προσπαθούν να δημιουργήσουν ένα μιούζικαλ με τίτλο "Spectacular Spectacular", το οποίο ο ιδιοκτήτης του Moulin Rouge, Harold Zidler (τον υποδύεται ο Jim Broadbent), σχεδιάζει να παρουσιάσει στο καμπαρέ. Ο αρχηγός των Bohemians, ο Toulouse-Lautrec (τον υποδύεται ο John Leguizamo), είναι ευχαριστημένος με το συγγραφικό ταλέντο του Christian και επιμένει να γράψει το μιούζικαλ τους, "Spectacular Spectacular". Μόλις διαπιστώνουν ότι ο Κρίστιαν είναι καταπληκτικός συγγραφέας, καταστρώνουν ένα περίπλοκο σχέδιο να παρουσιάσουν τον Κρίστιαν στη Σατίν, που είναι μια όμορφη εταίρα, με την ελπίδα ότι θα εντυπωσιαστεί από αυτόν και θα πείσει τον Ζίντλερ να προσλάβει τον Κρίστιαν ως συγγραφέα του μιούζικαλ.
Η Satine καταλαβαίνει τι περιλαμβάνει η δουλειά της, αν και ελπίζει να φύγει από το Moulin Rouge για να γίνει "πραγματική" ηθοποιός. Μέσα από μια σειρά παρεξηγήσεων, μπερδεύει τον Κριστιάν με τον πλούσιο και ισχυρό Δούκα που θα επενδύσει στο μιούζικαλ "Spectacular Spectacular". Μαγεύεται από την ποίησή του. Δηλώνει ότι τον έχει ερωτευτεί, αλλά σοκάρεται όταν συνειδητοποιεί ότι στην πραγματικότητα είναι ένας φτωχός μποέμ ποιητής.
Μετά από λίγο, ο πραγματικός Δούκας (τον οποίο υποδύεται ο Richard Roburgh) βρίσκει τον Christian και τη Satine μαζί. Καταφέρνουν να τον ξεγελάσουν και να τον κάνουν να πιστέψει ότι εργάζονταν στο μιούζικαλ "Spectacular Spectacular". Οι βασικοί ηθοποιοί φτάνουν και αυτοσχεδιάζουν επί τόπου την πλοκή της παράστασης: σε μια όμορφη Ινδή εταίρα εισβάλλει στο βασίλειό της ένας "κακός μαχαραγιάς". Ξεκινά να τον αποπλανήσει για να σώσει το βασίλειό της, αλλά κατά λάθος αποπλανεί και στη συνέχεια ερωτεύεται έναν άφραγκο παίκτη σιτάρ. Οι δύο τους πρέπει να κρύψουν τον έρωτά τους και να αποφύγουν τον μαχαραγιά, αν και υπονοείται ότι ένας από τους δύο μπορεί να πεθάνει στο τέλος της ιστορίας. (Σύντομα γίνεται αντιληπτό ότι το θέμα του έργου τους προμηνύει αυτό που συμβαίνει στην πλοκή της ταινίας). Ο Δούκας συμφωνεί να υποστηρίξει την παράσταση. Αλλά, γρήγορα δείχνει ότι είναι ένας βίαια ζηλιάρης άνθρωπος που θα κλείσει το Moulin Rouge αν δεν πάρει τη Satine για τον εαυτό του. Παρ' όλα αυτά, δέχεται ότι η Satine θα είναι απασχολημένη με τις πρόβες και σε στενή επαφή με τον Christian, τον συγγραφέα του μιούζικαλ.
Ο Κρίστιαν και η Σατίν ερωτεύονται, ενώ ο Ζίντλερ αγωνίζεται να κρατήσει το ενδιαφέρον του Δούκα για το μιούζικαλ "Spectacular Spectacular", παρόλο που η Σατίν δεν έχει κοιμηθεί ακόμα μαζί του. Ο Χάρολντ Ζίντλερ ανακαλύπτει επίσης ότι η Σατίν πεθαίνει από μια ασθένεια που λέγεται φυματίωση, αλλά δεν το λέει σε κανέναν λόγω του συνθήματός του "Η παράσταση πρέπει να συνεχιστεί". Εν τω μεταξύ, ο Κρίστιαν συνεχίζει να εργάζεται πάνω στο έργο, στο οποίο η εταίρα και ο άφραγκος σιταριστής καταλήγουν μαζί. Ο Δούκας, ωστόσο, δεν εκτιμά το τέλος και λέει στους ηθοποιούς ότι η εταίρα πρέπει να καταλήξει με τον μαχαραγιά. Για να πείσει τον Δούκα να αλλάξει γνώμη, η Satine δέχεται τελικά να περάσει τη νύχτα μαζί του. Ο Κρίστιαν κυριεύεται από ζήλια, ενώ η Σατίν δειπνεί με τον Δούκα, ο οποίος της προσφέρει όλα όσα έχει ονειρευτεί. Ωστόσο, όταν η Satine εντοπίζει τον Christian στον δρόμο από κάτω, αρνείται την προσφορά του Δούκα και εκείνος προσπαθεί να τη βιάσει. Αφού δραπετεύει, η Satine και ο Christian σχεδιάζουν να το σκάσουν.
Μέχρι τώρα, ο Δούκας έχει καταλάβει τα κόλπα της Satine και λέει στον Zidler ότι, αν ο "μαχαραγιάς" δεν πάρει την "εταίρα" του, θα βάλει να σκοτώσουν τον "άφραγκο σιταριστή". Παρ' όλα αυτά, ο Ζίντλερ πρέπει να ενημερώσει τη Σατίν για τον τελικό της όρο, προτού συμφωνήσει να εγκαταλείψει το σχέδιο απόδρασης. Πηγαίνει στον Κρίστιαν και του λέει ψέματα, πείθοντάς τον ότι ο έρωτάς της ήταν θέατρο, με την ελπίδα ότι αυτό θα τον κάνει να θελήσει να φύγει από το Παρίσι και επομένως να σώσει τη ζωή του.
Στην αρχή της παράστασης, η Satine παίζει κουρασμένη, γνωρίζοντας ότι η ζωή της έχει σχεδόν τελειώσει. Ο Christian, αρνούμενος να εγκαταλείψει τη Satine, την αντιμετωπίζει στα παρασκήνια. Όταν εκείνη προσπαθεί να τον απομακρύνει ξανά, εκείνος παίρνει τη θέση του ήρωα της παράστασης, πετάει χρήματα στα πόδια της για να "πληρώσει την πόρνη του" και φεύγει ορμητικά από τη σκηνή. Η Satine του εξομολογείται την αγάπη της με τη μορφή του μυστικού του τραγουδιού, και ο Christian και η Satine τα ξαναβρίσκουν μπροστά στα μάτια του κοινού και του Δούκα. Ο Δούκας επιχειρεί να πυροβολήσει τον Κρίστιαν, αλλά ο Ζίντλερ τον αναγκάζει να απομακρυνθεί. Το κοινό χειροκροτεί αυτό που νομίζει ότι είναι ένα καλό δράμα, αλλά στα παρασκήνια, η Satine κυριεύεται από την αρρώστια της και πεθαίνει στην αγκαλιά του Christian. Ως τελευταία της επιθυμία, ζητά από τον Κρίστιαν να διηγηθεί την ιστορία τους.
Ένα χρόνο αργότερα, ακόμα στο διαμέρισμά του με θέα τον άδειο κόκκινο ανεμόμυλο, ο Κρίστιαν δακτυλογραφεί τελικά την τελευταία σελίδα του έργου του, τελειώνοντάς το με το κουπλέ: "Το σπουδαιότερο πράγμα που θα μάθεις ποτέ, είναι να αγαπάς και να σε αγαπούν σε αντάλλαγμα".