Le publiciste Roger Tornhill se retrouve par erreur dans la peau d'un espion. Pris entre une mystérieuse organisation qui cherche à le supprimer et la police qui le poursuit, Tornhill fuit à travers les Etats-Unis et enquête afin de découvrir la vérité...
Un agent secret, Lemmy Caution, a pour mission de retrouver le professeur von Braun dans la cité futuriste d'Alphaville dirigée par le cerveau-robot Alpha 60. En découvrant que Lemmy veut emmener le professeur sur une autre planète, Alpha 60 le fait arrêter et le condamne à mort. Lemmy parvient à s'évader et tente de détruire Alpha 60.
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