A Paris, en 1887, par une nuit enneigée, une femme, poursuivie par un homme qui se déplace en s'appuyant sur une canne d'argent, trouve refuge dans une église. Elle confie son nourrisson au père Ménard et lui demande d'appeler l'enfant Loulou. Quelques années plus tard, la fillette, qui a bien grandi, s'épanouit dans le quartier de Montmartre. Mais l'homme à la canne d'argent tente toujours de la retrouver.
Loulou intègre le pensionnat. Si le cadre est plutôt austère et ses condisciples pas très accueillantes, elle se rapproche de Charlotte et découvre le cours de danse de madame Bataille. A Montmartre, les habitants ne savent pas comment s'opposer aux expulsions. Gaby, qui se languit de Loulou, tente de comprendre ce qui se trame et montre son soutien à Léontine.
Gaby passe voir Loulou au pensionnat afin de lui déposer un dessin pour son anniversaire et lui promet une autre surprise. Elle reçoit également la visite du père Ménard, qui a dû ruser pour échapper à l'homme qui le suivait à la trace. Il transmet à la jeune fille les documents que sa mère lui avait confiés douze années plus tôt, avant de prendre la fuite.
Mademoiselle Trochu, la directrice du pensionnat, a confisqué les chaussons de danse de Loulou et prive la jeune fille de sortie jusqu'à nouvel ordre, la confinant dans sa chambre. Pour punir les habitants de Montmartre, qui se sont révoltés contre les expulsions, les sbires de l'homme à la canne d'argent lâchent des rats dans le quartier. La nouvelle fait la une des journaux dès le lendemain, ce qui met la puce à l'oreille du père Ménard.
Charlotte et Loulou montent dans le grenier du pensionnat pour y récupérer les chaussons de danse de la jeune fille, seul souvenir de sa maman. Dans les salons du baron du Boisrobert, alors qu'on fête le début du nouveau siècle, le maître des lieux présente un projet immobilier d'envergure pour la butte Montmartre. Dédé le Borgne a intercepté un important courrier du père Ménard, adressé aux Etats-Unis, qu'il remet à l'homme à la canne d'argent.
Avec la mort du père Ménard, mademoiselle Trochu explique à Loulou qu'elle accepte de la garder en échange de petits travaux. Gaby convainc Léontine de venir chercher la jeune fille au pensionnat, mais la directrice pousse la brave femme à lui laisser le soin de son éducation. En réalité, elle se plaît à confiner l'adolescente aux tâches ingrates et à l'humilier devant les autres élèves. Gaby, lui, ne renonce pas à faire sortir Loulou de l'établissement.
Mademoiselle Trochu a retrouvé Loulou et l'a ramenée au pensionnat, où elle la retient enfermée. En fouillant dans les affaires de la jeune fille, l'horrible directrice retrouve les chaussons de danse confisqués à son élève. Gaby rend visite à Victor Duchêne, le rédacteur en chef du Clairon, pour lui confier l'histoire de Loulou, espérant ainsi pouvoir venir en aide à son amie.
Loulou a quitté le pensionnat pour le restaurant sordide que tiennent monsieur et madame Ribounet, qui chargent la fillette de diverses corvées. Malgré une situation guère reluisante, la jeune fille ne perd pas espoir et attend le moment opportun pour s'en aller.
Prêt à tout pour concrétiser son projet immobilier, le baron de Boisrobert ordonne à ses hommes de main d'incendier le quartier de Montmartre. Depuis l'atelier de danse de madame Bataille, Loulou, impuissante, contemple les flammes qui dévorent les ruelles qu'elle connaît si bien.
Après le terrible incendie qui a ravagé Montmartre, le grand-père de Gaby, accusé d'en être à l'origine, est jeté en prison. Les habitants du quartier, qui le savent innocent, décident de se mobiliser en organisant une manifestation de soutien.
Entre ses cours de danse et son travail au café Ribounet, Loulou est épuisée. Pour autant, elle ne renonce pas à ses rêves : retrouver ses parents et devenir une danseuse professionnelle. Un jour, elle retrouve le peintre Edgar Degas, qu'elle avait rencontré à Montmartre. Celui-ci est en possession du portrait d'une femme lui ressemblant étrangement. Il s'agit de Sofia, une danseuse de french cancan.
Loulou sait désormais qu'elle est la fille de Sofia, une danseuse de french cancan, et de Gauthier, duc de Lagny. Gaby lui révèle que la famille de son père possède un superbe château non loin de Paris. Alors que le baron de Boisrobert y organise une réception, Gaby décide de s'y rendre incognito.
En se faisant passer pour des apprentis pâtissiers, Loulou et Gaby parviennent à entrer dans le château du lac des cygnes. Quand elle fait la connaissance d'Eléonore, son arrière-grand-mère, Loulou rêve de pouvoir lui révéler son identité. De son côté, Gaby tente d'en savoir plus sur les funestes projets du baron de Boisrobert.
En compagnie de Léontine, son ancienne nourrice, Loulou découvre les beaux quartiers de Paris. En découvrant l'affiche du ballet Le Lac des Cygnes, de Tchaïkovski, elle fait aussitôt le lien avec le château de sa famille paternelle. Convaincue qu'il s'agit d'un signe du destin, elle décide de tout mettre en oeuvre pour pouvoir assister à la représentation.
Solange, la pire ennemie de Loulou quand elle était encore au pensionnat, arrive à l'atelier de madame Bataille et lui demande pardon. Mais Loulou peut-elle lui faire confiance ? Par ailleurs, la jeune fille reçoit au restaurant la visite de son ami Gaby, qui lui demande de l'accompagner au Moulin Rouge pour un mystérieux rendez-vous.
Madame Bataille se montre particulièrement sévère avec Loulou, qui prépare le concours d'entrée à l'Opéra. Pour tenir le coup, la jeune danseuse compte sur le soutien de Solange. Mais elle ignore que de nouveaux complots sont en train de se jouer. Boris Tcherenko et Boisrobert cherchent à l'éliminer.
Alors que le ciel de Paris est couvert de nuages sombres, les auditions se terminent à l'opéra. Tandis que le jury délibère, les jeunes danseuses attendent dans les couloirs. Chacune se demande si elle va pouvoir accomplir son rêve en devenant un petit rat de l'opéra ? Loulou est prête à entendre le verdict.
Après l'inondation de Paris, alors que ses amis la croient morte, Loulou est accueillie par « Le Ciel », une troupe de cabaret des horreurs. Elle y côtoie Max le Désossé, Gertrude la Poilue et le petit baron Toby von Tubenfeld, qui lui proposent un rôle dans leur spectacle. Malgré leur bienveillance, ils ne parviennent pas à consoler Loulou. Avec la mort de son arrière-grand-mère, il lui est devenu impossible de prouver qu'elle appartient à la famille de Lagny.
Loulou se déguise en ouvrier pour assister aux funérailles de son arrière-grand-mère. Elle en profite pour déposer le médaillon au cygne dans le bassin de la fontaine des amours, pour faire comprendre à Gaby qu'elle est toujours en vie. Cependant, elle doit continuer à vivre cachée. Elle participe au spectacle du Ciel en tenant le rôle d'une jeune fille défigurée après un incendie. Par ailleurs, avec Toby le lilliputien, elle se rend au château de Lagny en pleine nuit et trouve un passage secret.
Charles de Restinclières, qui assiste chaque soir au spectacle donné par Loulou derrière son masque de cuir, est fasciné par la jeune fille. Boisrobert est quant à lui déterminé à effacer toute trace de ses forfaits. Tcherenko tente d'assassiner Gaby, avec un stylet empoisonné, mais Toby intervient in extremis pour le sauver. Touché par le stylet, Toby faiblit rapidement.
Toby se remet petit à petit de son empoisonnement et poursuit ses recherches. Lui et les autres artistes du cabaret cherchent à comprendre pourquoi Loulou a été abandonnée par sa mère. Toby, Loulou et les autres rendent une visite nocturne à mademoiselle Trochu. Convaincue de la mort de Loulou lors de l'inondation, celle-ci est terrorisée. Elle pense avoir affaire à un fantôme.
Alors que Boisrobert obtient la libération de Tcherenko, Gaby est convaincu que ceux-ci préparent un mauvais coup pour l'exposition universelle. De son côté, Loulou se rend avec Charles au Moulin Rouge où Fédora et Degas la présentent au directeur, qui a très bien connu Sophia. Celui-ci propose à Loulou d'intégrer la revue de french cancan.
Loulou profite des conseils de ses nouveaux amis pour s'entraîner au french cancan. Par ailleurs, elle accompagne Charles à l'Exposition universelle, pas encore ouverte au public. Lors de l'inauguration, Gaby laisser éclater sa jalousie. Par ailleurs, il reçoit une information de l'Homme à la canne d'argent. Loulou se demande dans quel camp se trouve cet homme mystérieux. Elle le suit jusqu'au village suisse.
Gaby se rend au Ritz en qualité de journaliste pour interviewer la danseuse Sylvia Newton. Celle-ci connaît le rôle qu'il a eu auprès de sa fille et lui révèle son identité. Alors qu'elle répète au Moulin Rouge, Loulou voit une femme portant une voilette s'approcher. Il s'agit de Sophia, que Loulou reconnaît. La mère et la fille tombent dans les bras l'une de l'autre. Désormais, Loulou sait pourquoi elle a été abandonnée.
Le visage de l'Homme à la canne d'argent est dévoilé : il s'agit de Gauthier de Lagny, le père de Loulou. Tout le monde le croyait mort et est avide de connaître son histoire. En réalité, c'est le véritable Homme à la canne d'argent qui est mort lors de leur confrontation au bord de la falaise. Gauthier a usurpé son identité afin d'échapper aux poursuites. Depuis cet événement tragique, il s'est efforcé de retrouver la trace de sa fille.
Lors de la vente aux enchères, Loulou prouve qu'elle est l'héritière des Lagny. Acculé, Boisrobert prend Loulou en otage. Mais un coup de feu éclate à travers la baie vitrée et l'agresseur s'effondre. Boisrobert tombe au fond du lac des cygnes. Se sentant enfin libre, Loulou se concentre sur sa carrière de danseuse.
