Nel 2001 ottiene un nuovo grande successo grazie a "Moulin Rouge!", con Nicole Kidman e Ewan McGregor, presentato in anteprima al Festival di Cannes 2001. Il film musical, ambientato nella Parigi "bohemien", si caratterizza, come tutte le opere di Luhrmann, da una forte componente visiva e visionaria, con delle scenografie particolari e surreali. La colonna sonora del film è formata da brani celebri come "All You Need Is Love" dei Beatles, "Pride (In the Name of Love)" degli U2, "Roxanne" dei Police, "The Show Must Go On" dei Queen, Smells Like Teen Spirit dei Nirvana e "Your Song" di Elton John, reinterpretate e riproposte, a legare lo sviluppo della trama.