L'agent secret Lemmy Caution arrive à Alphaville, capitale d'un monde de l'avenir pour y rechercher le savant Von Braun disparu des Pays extérieurs. Il s'aperçoit vite que tous les habitants vivent comme des robots sous le contrôle d'un cerveau électronique, Alpha 60. La fille même de Von Braun, Natasha, lui sert de guide à travers la ville. Caution découvre que Von Braun est devenu le maître d'Alphaville. Devant le refus du savant de revenir dans les Pays extérieurs, il le tue et il s'enfuit avec Natasha, qu'il est parvenu à éveiller à des sentiments humains.