오랜만에 느끼는 아빠의 다정한 손길에 두근거리는 심장을 심장병이라고 오해한 아빠 덕분에 학교는 구경도 못해본 아멜리에. 노틀담 성당에서 뛰어내린 관광객에 깔려 엄마가 하늘 나라로 가 버리고, 유일한 친구 금붕어마저 자살을 기도한 뒤 그녀는 정말로 외톨이가 된다. 하지만 어느날 빛 바랜 사진과 플라스틱 군인, 구슬이 가득 담긴 낡은 상자를 우연히 발견하면서, 그녀에게 마법 같은 일들이 시작된다. 주변 사람들에게 행복을 찾아주는 기쁨을 통해 삶의 행복을 발견했다고 굳게 믿던 그 순간 그녀의 심장이 또다시 두근거리기 시작하는데...
열네 살 소년 앙트완은 마음 둘 곳이 없다. 엄마와 새아버지는 앙트완에게 무관심하고, 딱히 말썽을 피우려 한 것도 아닌데 학교에선 선생님에게 문제 학생으로 찍혀버렸다. 유일한 위안은 가장 친한 친구 르네와 함께 학교를 빼먹고 영화관에 가거나 거리를 돌아다니는 것. 숙제를 빼먹고, 무단 결석을 하는 등 갑갑한 현실을 벗어나고자 사소한 일탈을 일삼던 앙트완은 급기야 쪽지를 남긴 채 가출하고 가벼운 범죄를 저지르지만 냉혹한 어른들의 세상에서 그가 원하는 자유는 점점 멀어지기만 하는데...
19세기 파리, 오래된 클럽을 운영 중이던 앙리는 몽마르트 언덕의 작은 클럽에서 사람들이 캉캉을 즐기는 모습을 본다. 특히 매력적인 댄서 니니에게 강한 인상을 받은 앙리는 니니와 함께 새로운 스타일의 공연을 기획한다. 물랭 루즈의 설립자 앙리 지들러의 삶을 바탕으로 뮤직홀에 경배를 바치는 작품. 캉캉 댄서들의 눈부시게 화려한 공연은 물론, 에디트 피아프의 카메오 출연도 눈길을 끈다.
어린 시절 불의의 사고로 다리의 성장이 멈춰버림으로인해 난쟁이로 살아갈 수 밖에 없었던 로트렉(Toulouse-Lautrec: 호세 페레 분)은 신체적인 핸디캡으로 인해 절망에 빠져 자신의 삶을 학대하듯 방탕한 삶을 살아간다. 그러던 중 생계를 위해 광고 포스터 일을 하게 되고, 물랑루즈에 드나들게 되면서 격조 높은 여가수 잔느 아브릴(Jane Avril: 즈사 즈사 가보르 분), 쾌활한 무희 라 굴뤼(La Goulue: 캐서린 캐스 분), 강렬한 캐리캐처의 뱅상 드소쉬(Valentin Dessosse: 월터 그리샴 분)에 등 당대의 유명인사들과 교분을 쌓게 되고, 로트렉 역시 몽마르트의 유명인이 되지만 술과 방탕한 생활은 너무나도 일찍 그의 삶을 빼 앗아간다.
