Gegen den Rat seines Vaters reist der junge englische Schriftsteller Christian (Ewan McGregor) 1899 nach Paris, nimmt sich in einem einfachen Hotel am Montmartre gegenüber dem „Moulin Rouge“ ein Zimmer und packt seine Schreibmaschine aus. Da bricht ein argentinischer Tangotänzer durch die Zimmerdecke, und gleich darauf steht Toulouse Lautrec (John Leguizamo) in der Tür und erklärt Christian, ein Stockwerk höher probe er mit einer Theatertruppe. Dabei sei der Argentinier durch den Boden gebrochen. Toulouse Lautrec überredet den Engländer, für den bewusstlos von der Decke baumelnden Tangotänzer einzuspringen — und die Truppe ist begeistert von Christians Können und Einfallsreichtum. Deshalb soll er ein Stück für das „Moulin Rouge“ schreiben und Satine (Nicole Kidman), den Star der Bühne, dafür gewinnen.

Die Truppe besucht eine Revue im „Moulin Rouge“, und Toulouse Lautrec sorgt dafür, dass Satine mit Christian tanzt. Die Kurtisane hält ihn allerdings für den Herzog von Worcester, den ihr der Impresario Harold Zidler (Jim Broadbent) angekündigt hat. Zidler braucht Geld, weil er alles noch pompöser und glamouröser haben möchte. Satines Aufgabe ist es deshalb, den reichen Engländer so zu betören, dass er Geld in die nächste Aufführung investiert. Satine ist angenehm überrascht über den vermeintlichen Herzog — bis Christian ihr gesteht, dass er nur ein mittelloser Poet ist. In diesem Augenblick kommt Zidler mit dem echten Herzog (Richard Roxburgh), und Christian muss sich in Satines Garderobe verstecken. Satine gelingt es, den Herzog auf später zu vertrösten und bald wieder hinauszukomplimentieren. Plötzlich wird sie ohnmächtig. Christian fängt sie auf und trägt sie auf ihr Bett. Dabei wird er vom Herzog überrascht, der seinen Hut vergessen hat. Satine kommt wieder zu sich und behauptet, mit dem Autor des neuen Theaterstücks zu proben. Aus dem Stegreif erfindet Christian eine Handlung: Eine Hindu-Kurtisane soll einen Maharadscha bezirzen, verwechselt ihn jedoch mit einem armen Sitarspieler und verliebt sich in den Musiker.

Der Herzog lässt sich überreden, in die „Show der Superlative“ zu investieren, verlangt aber eine vertragliche Zusicherung, dass Satine ihm allein zur Verfügung steht und das „Moulin Rouge“ im Fall eines Vertragsbruchs ihm gehört. Um 20 Uhr, so der Herzog, habe Satine zu einem Tête-à-tête zu erscheinen. Satine verspricht gerade, zur gleichen Zeit bei Christian zu sein. Am Abend warten beide Herren vergeblich, denn Satine ist zusammengebrochen und hustet Blut. Der Arzt diagnostiziert Schwindsucht und kündigt Zidler den baldigen Tod des Bühnenstars an. Um den zornigen Herzog zu beruhigen, erzählt Zidler ihm, Satine habe plötzlich das Bedürfnis verspürt, zur Beichte zu gehen, um sich für die erste Nacht mit ihrem Verehrer in einen jungfräulichen Zustand zu versetzen.

Der Schluss des Bühnenstücks — die schöne Kurtisane entscheidet sich für den mittellosen Sitarspieler — gefällt dem Herzog überhaupt nicht, und er besteht darauf, dass er geändert wird: Nicht der Sitarspieler, sondern der Maharadscha soll die Frau bekommen. Außerdem darf das eigens für die Kurtisane und den Sitarspieler komponierte Liebeslied nicht mehr gesungen werden.

Allmählich schöpft der Herzog Verdacht. Um ihn zu besänftigen und die Show zu retten, willigt Satine in ein Rendezvous mit ihm ein. Er schenkt ihr Juwelen und verspricht ihr, sie zur gefeierten Schauspielerin zu machen. Aber Satine kann sich nicht länger verstellen. Sie läuft davon und sucht Christian in seinem Hotelzimmer auf. Der Schriftsteller schlägt ihr vor, gemeinsam zu fliehen. Die Bühne sei nicht so wichtig wie die Liebe: „Das Wunderbarste, was du je lernen wirst, ist zu lieben und geliebt zu werden!“

Währenddessen droht der Herzog dem Impresario, er werde seinen Rivalen töten lassen. Zidler überrascht Satine beim Packen. „Du hast immer gesagt, ich sei nur so viel wert, wie jemand für mich bezahlt“, wirft sie ihm vor. Jetzt habe sie jemanden gefunden, der sie liebe. In seiner Verzweiflung verrät Zidler ihr, dass sie todkrank sei und der Herzog ihrem Geliebten nach dem Leben trachte. Sie könne Christian nur retten, indem sie ihm vorspiele, ihn nicht zu lieben. Satine folgt dem Rat und erklärt Christian, sie habe sich für den Herzog entschieden und bleibe im „Moulin Rouge“, das sei ihr Zuhause.

Um sich Klarheit zu verschaffen, kehrt Christian ins „Moulin Rouge“ zurück. Dort wird gerade sein Stück aufgeführt. Während er durch die Kulissen schleicht, verfolgt ihn ein Bodyguard des Herzogs mit einer Pistole. Plötzlich taucht Christian auf der Bühne auf. Er wirft Satine Geld hin und wendet sich an den Herzog, der im Publikum sitzt: „Ich habe meine Hure bezahlt. Das Weib gehört jetzt Ihnen!“ Wütend geht er durch den Zuschauerraum nach hinten. Da hört er, wie Satine auf der Bühne das Liebeslied singt. Christian folgt dem Ruf und kehrt um. So endet das Bühnenstück nun doch damit, dass die Hindu-Kurtisane und der Sitarspieler zusammenkommen.

Bevor sich die Schauspieler hinter dem geschlossenen Vorhang aufstellen können, um den Applaus entgegenzunehmen, sinkt Satine zu Boden. Sie beschwört Christian, die Geschichte ihrer Liebe aufzuschreiben und stirbt in seinen Armen.

Im Jahr darauf sitzt Christian wieder in seinem Hotelzimmer gegenüber dem „Moulin Rouge“ vor seiner Schreibmaschine und erinnert sich an Satine.