Christian, jeune poète fauché, monte à Paris pour faire fortune et rencontre une bande d'artistes excentriques. Immédiatement adopté, il est présenté le soir même à Satine, étoile du Moulin Rouge, pour lui soumettre leur projet de comédie musicale. Egérie du Directeur Zidler, Satine rêve de gloire et de diamants. Elle doit séduire le Duc, aristocrate argenté qui peut éviter la faillite du Moulin. Un rendez-vous est organisé dans sa Chambre Rouge. Satine séduit Christian, persuadée de vamper le Duc. La fraîcheur, la sincérité du poète la font chavirer. Découvrant son identité, elle persuade le Duc, qui les surprend en pleine "répétition", d'engager l'auteur pour l'écriture du prochain spectacle. Marché conclu. Christian, fou de Satine, devient son amant. Les deux tourtereaux s'aiment, envers et contre Zidler et le Duc, celui-ci persuadé d'être l'élu de Satine. Pirouettes en tous genres permettent aux amants d'arriver à déjouer les soupçons. La veille de la première, ils sont découverts. Le Duc ordonne à Zidler de renvoyer Christian et de lui livrer Satine. Elle cède, pour épargner Christian et lui cacher la maladie qui la ronge. Satine fait ses adieux à Christian, qui, bouleversé, va l'entendre une dernière fois sur scène. Ne pouvant lutter contre son amour, elle lui ouvre son coeur, et meurt dans ses bras. Christian écrit leur histoire.