Dans le Paris de la Belle Époque, Christian, un jeune poète plein d'espoir s'installe à Montmartre, cœur de la vie de bohème. Il rencontre par hasard Henri de Toulouse-Lautrec, qui va le convaincre d'écrire une pièce pour le Moulin-Rouge. Il va alors rencontrer Satine, la principale meneuse de revue du Moulin-Rouge, ainsi que l'extravagant Harold Zidler (inspiré par Charles Zidler), le propriétaire du cabaret. Il décide de les aider, par le biais de la pièce, à sauver le cabaret face à leur principal investisseur, le duc de Monroth, fou de Satine, qu'il considère comme sa propriété privée.