Loulou découvre que sa mère est encore vivante et se démène pour retrouver sa trace.
Loulou cherche une preuve irréfutable qu'elle est bien un membre de la famille de Lagny. Il doit bien y avoir un document qu'elle n'a pas encore trouvé. Pourquoi pas au pensionnat des Batignolles ? Avec ses amis du Ciel, le cabaret des horreurs où elle a élu domicile, la jeune fille s'introduit en pleine nuit dans la chambre de Mlle Trochu et lui fait croire que son fantôme vient la hanter. Le tour fonctionne à merveille, et la vieille mégère leur remet une lettre de la mère de Loulou, destinée au père Ménard, où elle lui révèle s'être enfuie aux États-Unis pour se cacher de ses ennemis. La jeune fille est folle de joie : sa mère est en vie ! Pour retrouver sa trace, elle se rend à l'Opéra afin de rencontrer Fédorah, la meilleure amie de sa mère. Hélas, celle-ci ignore où elle est et elle conseille à Loulou d'aller voir le directeur du Moulin Rouge, où Sofia travaillait en tant que danseuse de French Cancan. En y allant, Loulou se fait agresser par des brigands.
Heureusement, Charles, son admirateur secret, arrive à temps pour la sauver. Il la soigne et lui avoue son amour. Troublée, la jeune fille accepte qu'il l'accompagne au Moulin Rouge, au grand dam de Gaby, qui commence à être jaloux. Elle rencontre le directeur de l'établissement, qui lui propose de passer une audition.