パリ、1900年。作家を目指してモンマルトルにやってきた青年クリスチャン（ユアン・マクレガー）は、ショーの台本を代理で担当することになったナイトクラブムーラン・ルージュの高級娼婦サティーン（ニコール・キッドマン）に恋をする。女優になるためにパトロンを探していたサティーンは、クリスチャンを公爵だと勘違いしてベッドに誘い込もうとするが、詩を口ずさむ彼に本気で恋してしまう。クリスチャンが貧乏作家だと知っても、もはや恋の炎は消えなかった。作家と女優の関係を装いつつ愛し合う二人だったが、ムーラン・ルージュのオーナーのジドラー（ジム・ブロードベント）にキスの現場を見られてしまい、サティーンは資産家の公爵（リチャード・ロクスボロウ）のもとへ行くように命じられる。やがて公爵がクリスチャンに激怒。さらに結核で自分の死期が近いことを知ったサティーンは、クリスチャンと別れることを決意する。しかしムーラン・ルージュの舞台で芝居と現実がシンクロしていく中、二人の愛は再び燃え上がった。まもなくサティーンは亡くなり、クリスチャンは心から愛した女の物語をタイプライターで書きはじめるのだった。