Senere samme kveld dagdrømmer Satine om å forlate Moulin Rouge for å bli en ekte skuespiller. Christian besøker Satine og forteller henne at de bør bli sammen. De synger en låt sammen og forelsker seg i hverandre. Nattklubben blir gjort om til et teater, og Satine og Christian møter hverandre i skjul. Forholdet deres må være strengt hemmelig fordi Satine allerede er lovet bort til hertugen. Hertugen begynner å forstå at noe er galt og forteller Zidler at han vurderer å stoppe finansieringen. Zidler forsikrer hertugen om at Satine elsker ham, og han arrangerer en middag til paret. Satine besvimer før hun rekker å møte opp. Zidler lyver til hertugen og forteller ham at hun har skriftet. Han får senere høre av legen at Satine er dødssyk, men han velger å holde det hemmelig. Satine forteller Christian at forholdet deres står i fare for å ødelegge hele showet, men de bestemmer seg for å være sammen likevel.