Privatdetektiv Lemmy Caution (Eddie Constantine) kommt in die futuristische Stadt Alphaville, um den vermissten Agenten Henry Dickson zu suchen. Die Stadt, in der Liebe und Gefühle systematisch ausgemerzt werden, wird regiert von Professor von Braun. Dieser hat den Computer Alpha 60 entwickelt, der jede Bewegung und jeden Gedanken in Alphaville steuert. Auf dem Weg durch diese absurde Welt bekommt Lemmy Caution schließlich eine Gefährtin: Natascha, die Tochter des Professors (Anna Karina).