Lemmy Caution (Eddie Constantine) es un agente secreto enviado a Alphaville con dos motivos: localizar a otro agente desaparecido, Henry Dickson (Akim Tamiroff) y asesinar al fundador de la ciudad, el científico conocido como Profesor Von Braun. Para ello se presenta como un periodista que desea entrevistarse con el Profesor, para lo que tendrá que tratar con la hija de éste, Natascha (Anna Karina), quien es enviada como intermediaria.

Pronto se da cuenta de que Alphaville posee muchas peculiaridades que indican que no es un lugar como los demás: muchachas sumisas y frías que se identifican como seductoras de nivel 3, diccionarios a los que se llama biblias y prohibición de palabras como por qué, amor o llorar.

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