Den hemmelige agenten Lemmy Caution ankommer den futuristiske byen Alphaville på en avsidesliggende planet langt borte fra hjemmet. Han oppdager et kaldt og følelsesløst dystopisk samfunn som styres av Alpha 60, en tyrannisk superdatamaskin skapt av professor von Braun. Han leter etter en savnet kollega-agent, innleder en forbudt romanse og jakter byens mesterarkitekt.