W filmie słyszymy wspaniałą muzykę, wiele najpopularniejszych przebojów XX wieku, od Rodgersa i Hammersteina po Lennona i McCartneya, od Stinga po Eltona Johna, od Dolly Parton po Davida Bowie. Baz Luhrmann nawiązał do czasów świetności hollywoodzkiego musicalu. Jak mówi: "W owych czasach włączanie współczesnych przebojów do filmów, których akcja działa się w przeszłości, było na porządku dziennym. Choć akcja "Meet Me in St. Louis" toczy się w roku 1900, Judy Garland śpiewa w nim "The Trolley Song", popularny przebój radiowy lat 40-tych. Widzowie z reguły znali te piosenki już wcześniej, bo były one przebojami radiowymi, lub (jak to było w przypadku "No Business Like Show Business" czy "White Christmas") wykorzystywano je w więcej niż jednym filmie - byli więc z nimi zżyci emocjonalnie. Filmowy Christian jest poetą, wpadliśmy więc na pomysł, by wyrażał swoje uczucia poprzez najsłynniejsze przeboje XX wieku. We wczesnych wersjach scenariusza mówił dla przykładu: "Czasy się zmieniają" lub "Musimy wyzbyć się podejrzeń", a potem włożyliśmy w jego usta słowa popularnych piosenek, takich jak "Roxanne" czy "Diamonds Are a Girl's Best Friend", które zastąpiły kwestie dialogowe".
Reżyser chciał, by akcji towarzyszyła eklektyczna muzyka ilustracyjna, która łączyłaby elementy opery, popu, techno i jazzu. Wpadł przy tym na pomysł, by wykorzystać utwory dziesiątków kompozytorów, producentów, aranżerów i muzyków. Kierownik muzyczny Marius DeVries mówi: Nie narzucił nam żadnych ograniczeń. Mogliśmy czerpać, skąd tylko chcieliśmy. Postanowiliśmy więc zaskoczyć widza, posunąć jak daleko tylko się da. Kompozytor Craig Armstrong mówi: "Nic nie jest tym, czym wydaje się być. Piosenki rozpływają się i stają się częścią partytury, a potem powracają w zmienionej formie". Cały Baz Luhrmann! Piosenki pełnią w filmie kluczową rolę narracyjną. Podczas pracy nad scenariuszem Luhrmann i Pearce korzystali z pomocy konsultantów muzycznych, Antona Monsteda i Josha G. Abrahamsa, którzy szukali dla nich odpowiednich utworów. Anton Monsted mówi: "Piosenki miały wspierać to, co Luhrmann i Pearce nazwali "scenami fundamentalnymi", a więc scenami, w których akcję miał ilustrować nie dialog, ale starannie dobrany utwór wokalny".
Gdy dokonano ostatecznego wyboru piosenek, reżyser przystąpił do prób z aktorami. Stosowano dwie metody: piosenkę nagrywano wcześniej, a na planie aktor ruszał tylko ustami w takt muzyki lub aktor śpiewał na planie, a tłem było dla niego nagranie z offu lub akompaniament. Pianista pozwalał aktorowi stworzyć kreację mniej "mechaniczną", za to bardziej żywiołową. Album ze ścieżką dźwiękową otwiera i zamyka standard z lat 40-tych "Nature Boy" w wykonaniu Davida Bowie. Na początku słyszymy także instrumentalną wersję tej piosenki, którą zaaranżował Craig Armstrong (Armstrong współpracował także z Madonną, Massive Attack i Bjork). Album zamyka wersja, która jest efektem współpracy Davida Bowie z Massive Attack. W obu interpretacjach słyszymy motyw przewodni filmu zawierający się w słowach "Najważniejsze jest kochać i być kochanym". W filmie słyszymy także nową wersję klasycznego utworu T-Rex "Children of the Revolution" w wykonaniu Bono, Gavina Fridaya i Maurice'a Seezera i dyskotekową interpretację przeboju LaBelle "Lady Marmalade" ("Voulez-vous coucher avec moi?"), którą śpiewają Christina Aguilera, Lil' Kim i Pink. Nicole Kidman i Ewan McGregor śpiewają w duecie dwie piosenki "Come What May" i "Elephant Love Medley". Dla obojga był to debiut wokalny. Solo Kidman śpiewa "Sparkling Diamonds", "One Day I'll Fly Away" i "Diamonds Are a Girl's Best Friend", a w duecie z Alką Yagnikiem, jednym z najsłynniejszych wokalistów hinduskich - "Hindi Sad Diamonds". W "Your Song" McGregorowi towarzyszy w filmie Placido Domingo, który użycza głosu Człowiekowi z Księżyca, na płycie - Allesandro Safina. McGregor, Jacek Koman i Jose Feliciano śpiewają nową wersję klasycznego przeboju Police "Roxanne" utrzymaną w rytmie tanga.
Latynoską wersję "Rhytm of the Night" Diane Warren wykonuje Valeria. Beck i Timbaland śpiewają "Diamond Dogs" Davida Bowie, a Rufus Wainright - "Complainte de la Butte", balladę napisaną przez reżysera Jeana Renoira do zrealizowanego przez niego w latach 50-tych filmu "French Cancan", którego akcja także rozgrywała się w Moulin Rouge. Oryginał śpiewano po francusku, Wainright wykonuje swoją wersję w dwóch językach, angielskim i francuskim.
Choreografię do "Moulin Rouge" opracował John O'Connell, który od lat współpracuje z Bazem Luhrmannem. O'Connell odrzucił tradycyjną konwencję, w której numer muzyczny przerywa właściwą akcję. Opracowane przez niego układy - takie jak "Tango", które tańczą Jacek Koman i Caroline O'Connor - pełnią ważną funkcję narracyjną i służą rozwojowi akcji. O"Connell zgromadził na planie zespół złożony z sześćdziesięciu zawodowych tancerzy, a zanim rozpoczęły się zdjęcia studiował sekrety kankana i klasyczne musicale. Jak mówi: "Zacząłem od musicali braci Ritz, którzy byli niczym tańczący bracia Marx i "Folies Bergere", pierwszego hollywoodzkiego musicalu Maurice'a Chevaliera. Oglądając je miałem wrażenie, że występujący w nich tancerze musieli być na prochach - szaleli nie znając umiaru! Cechowała ich wyobraźnia, dowcip i energia, które z czasem zanikły. Obejrzałem także setki musicali hinduskich, które moim zdaniem doskonale wyrażają ducha hollywoodzkich musicali z lat 40-tych i 50-tych. Wiele uwagi poświęciłem oczywiście samemu kankanowi. Pokazywano go na ekranie tyle razy, że zdawaliśmy sobie sprawę, iż nie możemy powielać dawnych wzorców. Moment olśnienia nadszedł, gdy dowiedzieliśmy się, że najbardziej szokująca w kankanie była nie golizna, ale pełna swoboda ruchów, jaką mogły się cieszyć girlsy z Moulin Rouge".
O'Connell opracował także pozostałe układy, w tym m.in. oparty na wzorcach hinduskich numer "Spectacular Spectacular", utrzymany w stylu Busby'ego Berkeleya "Your Song" i nawiązujący do klasycznej hollywoodzkiej tradycji "Like a Virgin".
