L'agente Lemmy Caution viene inviato in missione in una città extraterrestre per liberare il professor Von Braun e far luce sulla scomparsa degli agenti che l'hanno preceduto. Presentatosi come inviato di un giornale e riuscito a stento a liberarsi di alcuni individui che tentavano di ucciderlo, Lemmy scopre, con l'aiuto di Natacha, figlia di Von Braun, che Alphaville è guidata dittatorialmente da un cervello elettronico, l'Alpha 60, in base ad una ferrea logica di formule che toglie agli abitanti qualsiasi autonomia di giudizio e di azione sotto pena di morte. Lemmy Caution avvicina Von Braun e, al suo rifiuto di seguirlo, lo uccide. Privato del suo inventore e guida, l'Alpha 60 "impazzisce" e gli abitanti della città muoiono o restano privi d'ogni capacità d'azione. L'agente si allontana da Alphaville portando con sé Natacha; la ragazza lentamente ritrova in se stessa quei valori sentimentali e morali che le permetteranno di vivere in un mondo libero.