Sur une route sinueuse des Alpes, une voiture de sport italienne s'écrase contre un bulldozer à la sortie d'un tunnel. Le conducteur, un certain Roger Beckerman, est tué sur le coup. Il a cependant pu laisser un plan, destiné à un ami, Charlie Croker, qui vient de purger une peine de prison à Londres...
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.
Une petite frappe, Michel Poiccard, poursuivi par des motards après le vol d'une voiture, tire sur l'un d'entre eux et s'enfuit. Il retrouve à Paris son amie américaine et réussit à redevenir son amant. Il la convainc de l'accompagner en Italie. Mais la police découvre l'identité du meurtrier et le traque...
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