Dans le Paris de la Belle Époque, Christian, un jeune poète s'installe à Montmartre, cœur de la vie de bohème. Il rencontre par hasard Henri de Toulouse-Lautrec, qui le convaincra d'écrire une pièce pour le Moulin Rouge. Il rencontrera alors Satine, leur principale vedette, ainsi que l'extravagant Harold Zidler, le propriétaire. Il décide de les aider, par le biais de la pièce, à sauver le théâtre avec leur principal investisseur, le duc de Monroth, fou de Satine et qui souhaite l’épouser.