Film 1900 yılında geçiyor. Christian (Ewan McGregor tarafından canlandırılan), Bohem hareketinin en popüler olduğu 1899 yılında Paris'in Montmartre köyüne gelen İngiliz bir yazardır. Moulin Rouge adlı kapatılmış tiyatroya bakan bir dairede oturup daktilosuyla yazı yazmaktadır. Yazdığı hikâye, sevdiği kadın Satine (Nicole Kidman tarafından canlandırılan) hakkındadır.
Christian 1899'da Paris'e gelir ve Moulin Rouge'u düzenli olarak ziyaret eden bir grup Bohemyalı ile arkadaş olur. Moulin Rouge'un sahibi Harold Zidler'in (Jim Broadbent tarafından canlandırılan) kabarede göstermeyi planladığı "Spectacular Spectacular" adlı bir müzikal üretmeye çalışmaktadırlar. Bohemyalıların lideri Toulouse-Lautrec (John Leguizamo tarafından canlandırılan), Christian'ın yazarlık yeteneğinden memnun kalır ve müzikalleri "Spectacular Spectacular "ı yazması için ısrar eder. Christian'ın harika bir yazar olduğunu öğrendiklerinde, Christian'ı güzel bir fahişe olan Satine'e sunarak ondan etkilenmesini ve Zidler'i Christian'ı müzikalin yazarı olarak işe almaya ikna etmesini umarak karmaşık bir plan yaparlar.
Satine, "gerçek" bir oyuncu olmak için Moulin Rouge'dan ayrılmayı umut etse de, yaptığı işin ne anlama geldiğini biliyor. Bir dizi yanlış anlama sonucu Christian'ı, "Spectacular Spectacular" müzikaline yatırım yapacak olan zengin ve güçlü Dük sanır. Onun şiirlerinden büyülenir. Ona aşık olduğunu ilan eder, ancak onun aslında fakir bir Bohemyalı şair olduğunu fark edince şok olur.
Bir süre sonra, gerçek Dük (Richard Roburgh tarafından canlandırılan) Christian ve Satine'i birlikte bulur. Onu "Spectacular Spectacular" müzikali üzerinde çalıştıklarına inandırmayı başarırlar. Ana kadro gelir ve gösterinin konusunu oracıkta doğaçlar: Güzel bir Hintli cariyenin krallığı "kötü bir mihrace" tarafından işgal edilmiştir. Krallığını kurtarmak için onu baştan çıkarmaya koyulur, ancak yanlışlıkla beş parasız bir sitar sanatçısını baştan çıkarır ve sonra ona aşık olur. İkili aşklarını gizlemek ve mihraceden kaçınmak zorundadır, ancak hikayenin sonunda ikisinden birinin ölebileceği ima edilir. (Çok geçmeden oyunlarının temasının filmin olay örgüsünde olacakların habercisi olduğu anlaşılır). Dük gösteriyi desteklemeyi kabul eder. Ancak, Satine'i kendisine alamazsa Moulin Rouge'u kapatacak kadar şiddetli kıskanç bir adam olduğunu kısa sürede gösterir. Yine de Satine'in provalarla meşgul olmasını ve müzikalin yazarı Christian ile yakın temas halinde olmasını kabul eder.
Christian ve Satine birbirlerine aşık olurken, Zidler, Satine henüz onunla yatmamış olsa da Dük'ün "Spectacular Spectacular" müzikaliyle ilgilenmesini sağlamak için mücadele eder. Harold Zidler ayrıca Satine'in tüberküloz adlı bir hastalıktan ölmekte olduğunu öğrenir ancak "Gösteri devam etmeli" mottosu nedeniyle bunu kimseye söylemez. Bu arada Christian, fahişe ve beş parasız sitaristin birlikte olacağı oyun üzerinde çalışmaya devam eder. Ancak Dük oyunun sonunu beğenmez ve oyunculara cariyenin maharaja ile birlikte olması gerektiğini söyler. Satine, Dük'ü fikrini değiştirmeye ikna etmek için sonunda geceyi onunla geçirmeyi kabul eder. Satine, kendisine hayalini kurduğu her şeyi teklif eden Dük ile akşam yemeği yerken Christian kıskançlıktan çatlar. Ancak Satine aşağıdaki sokakta Christian'ı gördüğünde Dük'ün teklifini reddeder ve Christian ona tecavüz etmeye çalışır. Satine kaçtıktan sonra, Satine ve Christian kaçmayı planlar.
Dük artık Satine'in oyunlarını fark etmiştir ve Zidler'e, "mihrace" "cariyesini" almazsa, "beş parasız sitaristi" öldürteceğini söyler. Yine de Zidler, kaçış planından vazgeçmeyi kabul etmeden önce Satine'e son durumunu bildirmek zorundadır. Christian'ın yanına gider ve ona yalan söyleyerek, aşkının bir rol olduğuna ikna eder; böylece Christian'ın Paris'ten ayrılmak istemesini ve hayatını kurtarmasını ummaktadır.
Gösteri başladığında Satine, hayatının neredeyse sona erdiğini bilerek yorgun bir şekilde performansını sergiliyor. Christian, Satine'den vazgeçmeyi reddederek onunla sahne arkasında yüzleşir. Satine onu tekrar uzaklaştırmaya çalıştığında, Christian gösterinin kahramanı rolüne bürünerek Satine'in ayaklarının dibine "fahişesine ödeme yapması" için para atar ve hışımla sahneyi terk eder. Satine ona olan aşkını gizli şarkısı eşliğinde itiraf eder ve Christian ile Satine seyircilerin ve Dük'ün gözü önünde yeniden bir araya gelirler. Dük Christian'ı vurmaya çalışır ama Zidler onu uzaklaştırır. Seyirciler iyi bir drama olduğunu düşündükleri şeyi alkışlarlar, ancak sahne arkasında Satine hastalığına yenik düşer ve Christian'ın kollarında ölür. Son arzusu olarak Christian'dan hikâyelerini anlatmasını ister.
Bir yıl sonra, hala boş kırmızı yel değirmenine bakan dairesinde, Christian nihayet eserinin son sayfasını yazarak, "Öğreneceğiniz en büyük şey, sadece sevmek ve karşılığında sevilmektir" beytiyle bitirdi.
