Paris, 1900: Christian, ein englischer Schriftsteller, sitzt traurig vor seiner Schreibmaschine und erzählt rückblickend was er erlebt hat. Ein Jahr zuvor, im Jahre 1899, kam er gerade von London nach Paris um als Künstler an der „Revolution der Bohème“ teilzunehmen. Er trifft auf ein buntes Ensemble verschiedener Künstler, darunter Toulouse-Lautrec, die gerade bei der Erstellung eines neuen Stücks sind, das sie Harold Zidler, dem Betreiber des Moulin Rouge vorstellen wollen. Sie nehmen Christian spontan als Autor auf, da er jedoch ein Unbekannter ist und keine Erfahrung vorzuweisen hat, will man ihn in einem feinen Anzug zu Satine schicken und als berühmten englischen Schriftsteller ausgeben. Satine, die auch „der funkelnde Diamant“ genannt wird, ist eine Kurtisane und der große Star des Moulin Rouge. Wenn es ihm gelingen würde, Satine mit seinen Gedichten zu verzaubern, würde sie ihn Zidler als Autor für das neue Stück empfehlen.
Als er Satine bei ihrer Darbietung im Moulin Rouge sieht, ist er fasziniert und verliebt sich auf den ersten Blick in sie. Satine träumt von einer Karriere als Schauspielerin und würde dafür fast alles tun. Zidler braucht für das Theater die Unterstützung eines Finanziers und vermittelt deshalb für den reichen Duke ein privates Treffen mit dem begehrten Star Satine. Es kommt zu einer Verwechslung und Satine trifft auf Christian, von dem sie glaubt, er wäre der reiche Duke. Bei ihrem Treffen gelingt es Christian, Satines Herz zu gewinnen, doch müssen Satine und er ihre Beziehung vor dem geldgebenden Duke von nun an geheim halten.
Der Duke willigt ein, das neue Theaterstück zu finanzieren. Im Gegensatz zu den Idealen der Bohème, die „Freiheit, Schönheit, Wahrheit und Liebe“ lauten, will der Duke in erster Linie nur besitzen. Als Gegenleistung verlangt er, dass Satine ihm alleine gehört, zudem zwingt er Zidler, ihm als Sicherheit für seine Investition die Besitzurkunde für das Moulin Rouge zu überschreiben.
Bei den Proben kommen sich Satine und Christian oft näher, doch ihre heimliche Beziehung bleibt nicht verborgen, wenngleich der Duke davon noch nichts bemerkt. Dies ändert sich jedoch, als seine Eifersucht durch eine Anmerkung der Schauspielerin Nini geweckt wird, sodass ihm nun die offensichtlichen Parallelen des Theaterstücks zur Realität auffallen. Inzwischen stellt sich heraus, dass Satine todkrank ist, da sie an der Schwindsucht leidet, Zidler entscheidet jedoch, dies vorerst für sich zu behalten.
Der Duke will den lästigen Nebenbuhler loswerden und droht Zidler, dass er Christian umbringen lassen würde, falls Satine sich nicht für ihn entscheidet. Zidler informiert Satine darüber, doch anstatt sich zu fügen, will sie gemeinsam mit Christian flüchten und somit auch Zidler und das Moulin Rouge für ihre Liebe hinter sich lassen. Da zieht Zidler seinen letzten Trumpf und offenbart Satine, dass sie bald sterben wird. Er erwartet von Satine, Christians Leben zu retten, indem sie ihn verlässt und ihm vortäuscht, dass sie ihn nicht lieben würde. Satine fügt sich und verstößt Christian.
Christian kehrt zu einem letzten Besuch ins Moulin Rouge zurück und sucht Satine hinter der Bühne auf. Dort wird er von Warner überrascht, dem Handlanger des Duke, der ihn mit einer Pistole bedroht. Auf seiner Flucht gelangt Christian während der Aufführung des Stücks auf die Bühne. Die Schauspieler lassen sich ihre Verwunderung nicht anmerken und tun so, als würde er dazugehören. Das ahnungslose Publikum erlebt dann auch mit, wie sich Satine und Christian auf der Bühne ihre Liebe gestehen. Als der Duke die Pistole ergreift, entscheidet sich Zidler für die Ideale der Kunst und gegen das Geld und schlägt den Duke zu Boden. Nachdem der Vorhang gefallen ist, stirbt Satine sogleich in den Armen von Christian an den Folgen ihrer Krankheit. Der zurückgewiesene Duke, der davon nichts mitbekommen hat, verlässt enttäuscht das Theater und lässt Christian ziehen. Christian erfüllt dann auch den letzten Wunsch von Satine und schreibt die Geschichte der beiden Liebenden nieder, wie er es der im Sterben liegenden Satine versprochen hatte.
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