Dans les coulisses du Moulin Rouge, le célèbre cabaret parisien sis sur la butte Montmartre, un meurtre a été commis. La police est dépêchée sur place. Tout accuse Estelle Domani, l'une des danseuses de la revue qui, frappée d'amnésie, ne peut se défendre puisqu'elle ne se souvient plus de rien. Sa fascination dévorante pour le peintre Toulouse-Lautrec, en son temps habitué des lieux et grand portraitiste des femmes qui en ont fait les grandes heures, joue contre elle. Antoine et Florence tentent de démêler le vrai du faux dans cette histoire pleine de clairs-obscurs...