O filme é ambientado no ano de 1900. Christian (interpretado por Ewan McGregor) é um escritor britânico que veio à aldeia de Montmartre em Paris em 1899, quando o movimento boêmio estava em seu ponto mais popular. Ele se senta em um apartamento olhando para o teatro fechado chamado Moulin Rouge enquanto escreve em uma máquina de escrever. A história que ele está escrevendo é sobre a mulher que amava, Satine (interpretada por Nicole Kidman).
Em 1899, Christian chega a Paris, e faz amizade com um grupo de boêmios que visitam regularmente o Moulin Rouge. Eles estão tentando produzir um musical chamado "Spectacular Spectacular", que o proprietário do Moulin Rouge, Harold Zidler (interpretado por Jim Broadbent), planeja mostrar no cabaré. O líder dos boêmios, Toulouse-Lautrec (interpretado por John Leguizamo), está satisfeito com o talento de Christian em escrever e insiste em escrever seu musical, "Spectacular Spectacular". Uma vez que eles descobrem que Christian é um escritor incrível, eles apresentam um plano complicado de apresentar Christian a Satine, que é uma bela cortesã, na esperança de que ela fique impressionada com ele e convença Zidler a contratar Christian como o escritor do musical.
Satine entende o que seu trabalho envolve, embora espere deixar o Moulin Rouge para se tornar uma atriz "real". Através de uma série de mal-entendidos, ela confunde Christian com o rico e poderoso Duque que investirá no musical, "Spectacular Spectacular". Ela se encanta com a poesia dele. Ela declara que se apaixonou por ele, mas fica chocada ao perceber que ele é na verdade um pobre poeta boêmio.
Depois de um pouco, o verdadeiro Duque (interpretado por Richard Roburgh) encontra Christian e Satine juntos. Eles conseguem convencê-lo de que estavam trabalhando no musical, "Spectacular Spectacular". O elenco principal chega e improvisa o enredo do espetáculo no local: uma bela cortesã indiana tem seu reino invadido por um "marajá maligno". Ela se propõe a seduzi-lo para salvar seu reino, mas acidentalmente seduz e depois se apaixona por um tocador de cítara sem um tostão. Os dois devem esconder seu amor e evitar o marajá, embora esteja implícito que um deles pode morrer no final da história. (Logo se percebe que o tema de sua peça prefigura o que acontece no enredo do filme). O Duque concorda em apoiar o espetáculo. Mas, ele rapidamente mostra que é um homem violentamente ciumento que encerrará o Moulin Rouge se não conseguir que Satine fique com ele mesmo. No entanto, ele aceita que Satine estará ocupada com ensaios e em estreito contato com Christian, o escritor do musical.
Christian e Satine se apaixonam, enquanto Zidler luta para manter o Duque interessado no musical "Spectacular Spectacular" mesmo que Satine ainda não tenha dormido com ele. Harold Zidler também descobre que Satine está morrendo de uma doença chamada tuberculose, mas não conta a ninguém por causa de seu lema: "O espetáculo deve continuar". Enquanto isso, Christian continua trabalhando na peça, na qual a cortesã e o tocador de cítara sem um tostão acabam juntos. O Duque, entretanto, não aprecia o final e diz ao elenco que a cortesã deve terminar com o marajá. Para convencer o Duque a mudar de idéia, Satine finalmente concorda em passar a noite com ele. Christian é tomado de ciúmes enquanto Satine janta com o Duque, que lhe oferece tudo com que sonhou. Entretanto, quando Satine vê Christian na rua abaixo, ela recusa a oferta do Duque, e ele tenta estuprá-la. Depois que ela foge, Satine e Christian planejam fugir.
Até agora, o Duque já percebeu os truques de Satine, e diz a Zidler que, se o "marajá" não conseguir sua "cortesã", ele terá o "tocador de cítara sem um tostão" morto. No entanto, Zidler deve informar Satine sobre sua condição final antes que ela concorde em desistir do plano de fuga. Ela vai até Christian e mente para ele, convencendo-o de que seu amor foi um ato na esperança de que isto o fará querer deixar Paris e, portanto, salvar sua vida.
Ao abrir o espetáculo, Satine tem um desempenho cansado, sabendo que sua vida está quase no auge. Christian, recusando-se a desistir de Satine, confronta-se com ela nos bastidores. Quando ela tenta forçá-lo a sair novamente, ele toma o lugar do herói do espetáculo, jogando dinheiro a seus pés para "pagar sua puta", e saindo do palco. Satine confessa seu amor por ele na forma de sua canção secreta, e Christian e Satine se reencontram à plena vista do público e do Duque. O Duque tenta atirar em Christian, mas Zidler o obriga a sair. A platéia aplaude o que eles pensam ser um bom drama, mas nos bastidores, Satine é superada por sua doença e morre nos braços de Christian. Como seu último desejo, ela pede a Christian que conte sua história.
Um ano depois, ainda em seu apartamento com vista para o moinho de vento vermelho vazio, Christian finalmente digita a última página de seu trabalho, terminando-a com o casal, "A maior coisa que você aprenderá, é apenas amar, e ser amado em troca".
