Moulin Rouge a été présenté en compétition officielle au Festival de Cannes 2001, dont il a fait l'ouverture.
Le célèbre cabaret parisien semble toujours avoir inspiré les cinéastes. Pour mémoire, citons notamment Moulin Rouge de Sidney Lanfield (1934), La P'tite femme du Moulin Rouge de Benito Perojo (1945), Moulin Rouge de John Huston, avec José Ferrer (1952), French Cancan de Jean Renoir, avec Jean Gabin (1955), ou encore Lautrec de Roger Planchon, avec Regis Royer (1998).
Ewan McGregor avait un temps été pressenti pour tourner dans un autre film de Baz Luhrmann, Romeo + Juliette (1996), sous les traits de Mercutio. Le réalisateur a cependant opéré à un changement radical dans sa conception du personnage puisque c'est finalement l'imposant et sanguin Harold Perrineau qui décrocha le rôle.
Les comédiens ont interprété eux-mêmes les chansons du film devant la caméra de Baz Luhrmann au cours des répétitions qui ont précédé le tournage. Les pistes musicales ainsi enregistrées ont ensuite été traitées à l'aide de procédés numériques. Lors du tournage, les comédiens ont eu le choix, ils pouvaient soit chanter en play-back soit interpréter à nouveau les chansons, une option qui laissait plus de latitude aux acteurs, libres de suivre l'inspiration du moment.
Avant de se faire un nom en tant que réalisateur et scénariste de cinéma, Baz Luhrmann était déjà connu pour ses talents de metteur en scène d'opéra. Ainsi, on peut remarquer dans son dernier film Moulin Rouge un certain nombre d'auto-références, notamment la scène de danse indienne, directement reprise de sa mise en scène de Songe d'une nuit d'été, sans oublier le cadre lui-même, puisque Luhrmann avait choisi de situer l'action de La Bohème dans le fameux Moulin Rouge parisien.
Comédien réputé au théâtre, Jim Broadbent a notamment joué au cinéma sous la direction de quelques grands du cinéma britannique : Terry Gilliam (Bandits, bandits, Brazil), Stephen Frears (The Hit), Mike Newell (Avril enchante), Mike Leigh (Life is sweet), Neil Jordan (The Crying Game) et Mark Herman (Little Voice). Récompensé par la Coupe Volpi lors du Festival de Venise 1999 pour Topsy-Turvy (Mike Leigh, 1999), il est également apparu au générique de Richard III (Richard Loncraine, 1995), L' Agent secret (Christopher Hampton, 1996) et Smilla (Bille August, 1997).
Collaborateur de longue date du cinéaste, John O'Donnell a notamment signé les chorégraphies de Ballroom Dancing (1992) et Romeo + Juliette (1996). Il a de plus travaillé avec Baz Luhrmann au théâtre, sur Le Songe d'une nuit d'été de Shakespeare et South Pacific de Richard Rodgers.
Fantasque et éclectique, la bande originale de Moulin Rouge réunit notamment David Bowie (Nature boy), Bono (U2), Elton John, Paul McCartney, Beck (Diamond dogs), Rufus Wainwright (Complainte de la Butte), Christina Aguilera, Lil'Kim Mya & Pink (Lady Marmelade) et bien entendu Nicole Kidman et Ewan McGregor. Comme le confirme le directeur musical Marius DeVries, les choix des musiques étaient illimités, et affirme que son seul but était de "susciter des émotions inédites et surprenantes".
Catherine Martin, chef décoratrice, explique : "Nous commençons toujours par une recréation académique précise, puis nous la modifions et l'adaptons aux besoins de l'histoire. Le travail consiste à manipuler et réinterpréter des éléments du temps pour les rendre lisibles au spectateur contemporain et lui ouvrir ainsi une voix d'accès à un univers révolu. Baz nous a demandé de créer un monde, d'inventer un style d'artificialité réaliste ; de recréer un Paris où pourrait aisément se déployer un comédie musicale de son cru ; un lieu où l'on accepterait volontiers que des personnages se mettent soudain à chanter." Cette approche résolument iconoclaste et baroque a également présidé à l'élaboration de la bande originale ainsi qu'à la conception de 400 costumes et 85 perruques d'un film qui se veut un hommage à L' Ange bleu de Josef von Sternberg, Gilda de Charles Vidor et Cabaret de Bob Fosse.
Baz Luhrmann avoue s'être inspiré du mythe d'Orphée pour écrire le scénario du film avec son co-scénariste Craig Pearce. Orphée, poète légendaire capable de charmer par sa seule voix, ne put ramener sa femme Eurydice d'entre les morts pour s'être retourné vers elle alors que ce geste était proscrit. Le cinéaste explique ainsi le mythe : "c'est l'allégorie du passage à l'âge adulte et du renoncement à l'idéalisme ; la prise de conscience que nous ne contrôlons pas notre destinée ; que les êtres chers meurent, que les relations amoureuses ne sont pas éternelles." Il ajoute que "dans le mythe orphique, cette prise de conscience peut, soit nous anéantir, soir nous régénérer et nous aider à mûrir."
Nicole Kidman s'étant foulée la cheville lors des répétitions de la scène de la balançoire, le tournage du film a dû être interrompu deux semaines, au mois de novembre 1999.