Valerian (Dane DeHaan) y Laureline (Cara Delevingne) son dos agentes especiales que se ocupan de mantener el orden en todo el universo. Su relación no es lo que se dice romántica, aunque Valerian, un seductor con un amplio historial de conquistas a sus espaldas, busca algo más que una relación profesional con su compañera y por eso persigue abiertamente a Laureline con constantes proposiciones, que ella, de carácter más tradicional, rechaza una y otra vez.
El comandante Arün Filitt (Clive Owen) les envía a cumplir una importante misión en la impresionante ciudad intergaláctica de Alpha, una metrópoli en constante crecimiento en la que conviven miles de especies distintas que proceden de todos los rincones del universo. Después de siglos de paz y prosperidad en la que los diecisiete millones de habitantes de Alpha han unido sus talentos, tecnología y recursos por el bien común, una fuerza desconocida quiere poner en grave peligro la localidad y destruirla. Convertidos en los guardianes del futuro de Alpha, Valerian y Laureline disponen de menos de 10 horas para encontrar la amenaza y eliminarla. Ahora, el destino de esta ciudad y de todo el universo está en sus manos.