In den Tiefen des Weltalls, weit entfernt von unserem Sonnensystem, leben Monte (Robert Pattinson) und seine kleine Tochter Willow (Jessie Ross) gemeinsam auf einem ramponierten Raumschiff, dessen Besatzung vor einiger Zeit noch aus vielen verurteilten Schwerverbrechern bestand, die sich mit einer gefährlichen Mission von ihren Strafen freikauften. Mit Experimenten wurden sie von der wahnsinnigen Reproduktionswissenschaftlerin Dibs (Juliette Binoche) gequält, bei denen bis auf Monte und Willow alle ums Leben kamen. Monte ist ein stiller Mann, der sich eine harte Selbstdisziplin auferlegt hat. Doch wenn er mit seiner Tochter zusammen ist, wird aus ihm ein zärtlicher Versorger. Nun sind die beiden die letzten Überlebenden der Crew und nähern sich in völliger Isolation ihrem letzten unausweichlichen Ziel: einem schwarzen Loch und damit auch dem Ende von Zeit und Raum.

Im 28. Jahrhundert sorgen der Spezialagent Valerian und seine neue Partnerin Laureline für Recht und Ordnung in der gesamten Galaxis. Ihr neuester Auftrag, den sie von ihrem raubeinigen Kommandanten bekommen, führt die beiden ungleichen Gesetzeshüter in die gigantische Metropole Alpha, in der unzählige unterschiedliche Spezies aus verschiedensten Teilen des Universums zusammenleben. Mit der Zeit haben sich die Bewohner der Stadt so weit einander angenähert, dass sie all ihr Wissen vereint haben und dies zum Vorteil für alle nutzen. Allerdings kann sich längst nicht jeder mit den herrschenden Verhältnissen anfreunden. Einige schmieden insgeheim Pläne, die nicht nur Alpha, sondern die gesamte Galaxis ins Chaos stürzen könnten. Valerian und Laureline setzen daher alles daran, um das drohende Unheil abzuwenden.