Mathias, qui vivait en Allemagne, décide de regagner la France. Dans le train, il croise un homme qui le menace, l'insulte et disparait. Il découvre le lendemain dans sa valise une tête humaine réduite à la manière des Indiens Jivaros. Mathias ne pense plus qu'à cette tête, tente de percer son mystère et s'isole totalement du monde...
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.
Contre une forte somme, le docteur Malic, propriétaire d'une clinique psychiatrique en plein naufrage, accepte d'héberger un agent secret. Une foule d'espions ne tarde pas à envahir la clinique transformée en haut-lieu du contre-espionnage.
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