故事的开始，是 1899 年的巴黎。蒙马特高地的山脚下，有一座屋顶上转着巨大红色风车的剧场——红磨坊。整个巴黎最美的姑娘都在这里跳康康舞，整个巴黎最有钱、最颓废、最浪漫的人都聚在这里喝苦艾酒。一个穷小子叫克里斯蒂安，从英国跑来巴黎，揣着一台旧打字机，想成为这座城市的下一个伟大诗人。他的房间正对着红磨坊。某天晚上一帮喝醉的艺术家从天花板砸下来，把他拉进了一场荒唐的演出排练。
他需要去见红磨坊的当家女星——萨蒂娜。她是整个巴黎最闪亮的"花魁"。所有人都爱她，可没有人真正认识她。她正在等一位有钱的"公爵"——那位将要赞助下一部歌舞剧的人。她的朋友错把克里斯蒂安当成了那位公爵。她推开化妆间的门，看见他站在烛光底下念诗。她假装爱上他，他真的爱上了她。等她发现自己搞错对象，克里斯蒂安已经把整颗心放在她手心里，再也收不回来。
她也爱了。她爱他爱得像被烟花点着的一个白纸灯笼。可是她病了——肺结核，红磨坊里没有人敢告诉她，她不知道自己其实只剩几个月可以活。同时，公爵真的来了，他要她做他独占的女人，否则就要把整座红磨坊买下、拆掉，让所有歌女失业。她明白了她不能爱克里斯蒂安——她要救这座剧场。她做了一件她这辈子最难做的事，她对克里斯蒂安说："你只是我的玩物，我从来没爱过你。"——他冲出去，把所有他给她写的诗、所有她给他写的信，一把火烧光。
他冲到舞台上，要在所有观众面前——包括公爵——羞辱她。他把她在台上推到中间，把一沓钞票砸在她脸上，对全场喊："给你！这是你陪我睡过的钱！"——萨蒂娜哭着倒在台上，台下是惊呆的几百个观众和拿着枪的公爵。可是就在这一刻，整个剧场所有的演员，所有跟她一起跳舞的女孩们，所有曾经看过他给她写的那首"自由、美丽、真理、爱"的诗的人，开始小声地合唱起那首他和她共同写下的歌——《Come What May》（无论如何）。
她在所有人的合唱里，颤抖着站起来，对他说出最后一句话——"无论如何，我都会爱你，直到我死的那一天。"——他冲上舞台抱住她，台下所有的观众抱在一起欢呼。那一刻是他们这辈子最完整的几秒钟。然后她笑了一下，软软地，倒在他怀里。整个红磨坊静下来。她的肺，她的爱，她全部用力了的二十几岁的生命，在那一刻，落幕了。
多年后，克里斯蒂安回到那间俯瞰红磨坊的小阁楼。他坐在那台旧打字机前，整整一年没碰过它。他把空白的纸卷上去，第一行字打下来："这是一个属于一座叫做红磨坊的剧场、一个叫做萨蒂娜的女孩，和一个我自己的故事。最重要的事，就是去爱，被爱。"——风车还在外面转着，可整个巴黎再也找不出第二个她。