Lamy Caution, agent secret vient des Pays extérieurs pour détruire Alphaville, soumise au pouvoir terrifiant de l'ordinateur Alpha60. S'étant épris de Natacha, la fille du professeur von Braun, il accomplira sa mission et sauvera la jeune fille en lui apprenant à dire les mots interdits à Alphaville : "Je vous aime"
Ce poème scintillant qui alterne le noir profond et les éclairs, est placé par Godard sous le signe de F W Murnau, de l'expressionnisme allemand (Lemmy parle des vieux films de vampire que l'on voyait à la cinémathèque) et de la poésie de Cocteau et de Paul Eluard. Eddie Constantine traverse les zones interdites filmées en images négatives, comme dans Nosferatu et Orphée puis lit d'admirables fragments de Capitale de la douleur à sa bien aimée, alors que l'ordinateur tente de lui inculquer les principes de la physique et de la logique moderne.
Godard tourne son film à Paris, dans la toute nouvelle Maison de la radio et dans l’immeuble Esso (détruit depuis) du quartier d’affaires flambant neuf de la Défense. Ce que décrit surtout le cinéaste c’est la résistance à une société contrôlée par les ordinateurs, le refus d’une civilisation en guerre avec les artistes, les penseurs et les amants.