Події фільму розгортаються у гламурному і водночас похмурому світі знаменитого паризького Мулен Руж наприкінці 19 століття. Історія розповідає про Діану, молоду жінку, яка проникає до Мулен Руж як танцівниця, щоб розкрити правду про таємниче зникнення своєї сестри. Занурюючись у барвисте і небезпечне життя кабаре, Діана зустрічає різноманітних персонажів, від танцівниць до аристократів, кожен з яких має свої власні таємниці. Розслідування приводить її в темне підпілля паризького нічного життя, де переплітаються кохання, зрада та обман. Діана мусить розплутати змову, яка може стати її погибеллю або єдиною надією на порятунок її сестри.