Parigi, 1899. Christian è un giovane aspirante scrittore , che si ribella all'autorità paterna e si trasferisce nel quartiere più "vivace" della capitale francese , Mont-Martre, per poter sviluppare le sue doti letterarie assaporando l'atmosfera bohémien che imperversava a Parigi. Un giorno un argentino narcolettico gli piove letteralmente in casa sfondandogli il soffitto: al piano di sopra, una sgangherata compagnia teatrale, guidata dal pittore Henri de Toulouse-Lautrec, sta provando il primo spettacolo della rivoluzione bohémienne da proporre all'impresario Zidler, una sorta di "Mangiafuoco" che organizza gli spettacoli del Moulin Rouge.
Christian dimostra le sue doti eccellenti e viene accolto dalla compagnia,la quale, entusiasta, decide di far incontrare il giovane al "Diamante Splendente",Satine, stella del Moulin Rouge sperando che lei, colpita dalle poesie dello scrittore potesse convincere Zidler ad affidare loro la stesura del testo dello spettacolo.
La sgangherata compagnia inizia Christian alla vita bohèmienne brindando con l'Assenzio e conducendolo in trionfo al Moulin Rouge dove assistono alla vivace ed ammicante scena del Can Can.
Appena entra in scena Satine, Christian rimane colpito dalla bellezza della giovane, mentre tutto il locale,in subbuglio cerca di vedere più da vicino la ballerina.
Zidler, intanto,quella sera ha invitato un nobile Duca inglese, sperando che l'uomo, dopo aver passato una notte d'amore con Satine, acconsentisse a finanziare il suo spettacolo. Durante la sua esibizione, Satine chiede a Zidler di indicarle il Duca, così da poterlo invitare personalmente a passare la notte insieme, ma ,per un equivoco, Zidler le indica Christian e lei invita la persona sbagliata.
Satine ha un mancamento mentre canta, la portano nel suo camerino, dove la sua aiutante, Marie scopre una tremenda verità: Satine tossisce sangue, ha dunque contratto la tisi. Appena sono nella stanza della ragazza, Christian, inizialmente nervoso, la seduce con una canzone. Convinta che Christian in realtà fosse il Duca, Satine gli dice di essere innamorata di lui, pensando che il nobile le avrebbe potuto far avere successo come attrice. Appena scopre la vera identità di Christian, lo caccia in malo modo dalla sua stanza, ma il Duca li vede insieme e loro sono costretti ad inventare che stavano provando e, improvvisando, inventano la trama dello "Spettacolo Spettacolare" .
Il vero Duca acconsente a finanziare lo spettacolo ad una condizione: avere l'esclusiva su Satine, la quale,intanto, si è resa conto di essere innamorata di Christian ed ha una relazione con lui. Zidler scopre la loro storia d'amore e ordina alla ragazza di lasciare Christian per il bene dello spettacolo, lei acconsente, ma i due continuano in segreto a vedersi.
Le condizioni di salute di Satine peggiorano a vista d'occhio e il dottore rivela a Zidler che la ragazza è in fin di vita, Zidler dice a Marie di non dirlo però alla diretta interessata . Una ballerina, Nini, invidiosa del successo di Satine, dice al Duca che la sua protetta e lo scrittore hanno una relazione. L'uomo furioso, invita Satine a cena e tenta di abusare di lei, ma non ci riesce perché viene aggredito da Chocolat un ragazzo del Moulin Rouge amico della ragazza. La situazione per lei e Christian è tragica e pericolosa, i due cercano di scappare, ma Zidler li ferma e rivela a Satine della sua morte imminente.
Le dice di nuovo di lasciare Christian, perché il Duca ha intenzione di ucciderlo. Lei questa volta fa quello che le viene chiesto e liquida Christian con una scusa. Il ragazzo, profondamente turbato , decide di umiliarla in pubblico e, alla prima del loro spettacolo sale sul palco e le getta delle banconote ai piedi, dicendo di aver pagato l'amore ricevuto da quella prostituta. Lei ,morente, scoppia in lacrime e intona la canzone simbolo del loro amore.
Christian,allora la perdona e, insieme cantano il resto dello spettacolo. Il Duca, che assiste alla scena , cerca di uccidere il giovane, ma Zidler lo ferma con un pugno.
Al calo del sipario i due sono felici, perché finalmente hanno vinto il Duca e sono liberi di amarsi, ma improvvisamente Satine si accascia al suolo senza respiro e chiede a Christian di scrivere la storia del loro amore.
Satine muore fra le braccia dell'innamorato.
