Lemmy Caution, agente secreto 003, viaja hasta Alphaville, situada en una galaxia a años luz de la Tierra, con tres objetivos: localizar a otro agente desaparecido, Henry Dickson, acabar con el fundador de la ciudad, el profesor Von Braun, y destruir Alpha 60, el potente ordenador que controla dictatorialmente Alphaville. Alpha 60 ha prohibido el amor, el libre pensamiento, la poesía y las emociones. Cualquiera que dé muestras de poseer sentimientos -una simple sonrisa o unas lágrimas por la muerte de un familiar- es encerrado, interrogado y ejecutado. Además a individuos sometidos a lavados de cerebros se los envía a otras galaxias para que inicien huelgas, revoluciones o revueltas estudiantiles. Lemmy localiza a Dickson, que muere poco después en brazos de una seductora de nivel 3. En su lugar, Lemmy logra la colaboración de Natascha, la programadora de Alpha 60 e hija de Von Braun, de quien se enamora desestabilizando Alphaville con la fuerza de sus sentimientos.
