舞台は１８９９年のパリ・モンマルトル。作家志望のクリスチャン(ユアン・マクレガー)は、ナイトクラブ「ムーランルージュ」の踊り子、サティーン(ニコール･キッドマン)に一目惚れする。サティーンはクリスチャンが貧乏作家と知って追い払おうとするが、彼女に対する気持ちを歌に託して語るクリスチャンに恋してしまう。クリスチャンが書いた芝居をサティーンが主演する事になり、上演費用を公爵が出す事になるが、サティーンを独占しようとする公爵にクリスチャンは耐えられなくなる。そしてついに駆け落ちしようと決めたサティーンは、自分の余命がいくばくもないことを知らされる。