Im Jahr 40.000 erhält die Astronautin Barbarella (Jane Fonda) vom Präsidenten der Erde den Auftrag, den im Tau Ceti-Sonnensystem verschollenen Wissenschaftler Durand-Durand (Milo O’Shea) zu finden und ihn an der Entwicklung einer Laser-Waffe mit Positronen-Strahlen zu hindern, die den jahrhundertelangen galaktischen Frieden bedrohen könnte. Streng genommen ist ihr Beruf nicht Astronautin, sondern Astronavigatrice. Mit dem gegenseitigen Gruß „Sieg der Liebe“ verabschieden sich Regierungschef und Barbarella voneinander. Auf dem Weg zu dem 16. Planeten von Tau Ceti, wo Durand-Durand offenbar abgestürzt ist, gerät Barbarella mit ihrem Raumschiff in einen „elektrischen Strudel“ der Atmosphäre und muss in einer Eis-Landschaft notlanden.
Den Trümmern kaum entkommen, wird Barbarella von zwei Kindfrauen bewusstlos geschlagen, gefesselt und von Roboter-Puppen mit messerscharfen Zähnen attackiert. Gerettet wird sie in letzter Sekunde von Mark Hand (Ugo Tognazzi), einem stark behaarten Kerl, der durchs Eis patrouilliert, um entlaufene Kinder zu fangen und ein besonderes Faible für althergebrachten Sex hat. Dieser ist auf der Erde längst ersetzt durch sogenannte „Verzückungsübertragungspillen“, die Geschlechtsverkehr simulieren. Doch Barbarella genießt auch die traditionelle Variante. Mark Hand und seine Crew, bestehend aus zwei Robotern, machen sich nützlich, bringen Barbarella zu ihrem beschädigten Raumschiff zurück und reparieren es notdürftig. Offenbar zu nachlässig, denn Barbarella stürzt abermals ab.
Diesmal findet sich die Abenteurerin in der Nähe eines Labyrinths wieder, das von Ausgestoßenen und Rebellen bewohnt wird, die mit der absoluten Herrschaft des „Großen Tyrannen“ in der Hauptstadt Sogo nicht einverstanden sind. Barbarella trifft auf den blinden Pygar (John Phillip Law), einen blonden Engel und nach eigenem Bekunden letzter der Ornithanthropen. Aus Trauer hat er die Lust am Fliegen verloren, denn in Sogo wurde er schrecklich gequält. Barbarella verliebt sich in ihn, und nach einer intensiven sexuellen Begegnung kann Pygar endlich wieder abheben. Er bringt die Astronautin zu Professor Ping (Marcel Marceau), einem etwas schusseligen Professor, der Barbarellas lädiertes Raumschiff instand setzt, während sie mit Pygar in die Hauptstadt des „großen Tyrannen“ fliegt. Unterwegs werden sie beschossen, können sich aber mit ihren Laserwaffen behaupten.
In der Stadt werden sie bereits von der Schwarzen Königin (Anita Pallenberg) erwartet, einer leidenschaftlichen Sadomasochistin, die eine Peitsche schwingt und Barbarella zur lesbischen Liebe bekehren will. Als Barbarella sich weigert, lässt die „große Tyrannin“ sie in einen Käfig mit aggressiven Vögeln einsperren und den halbnackten Pygar „kreuzigen“. Der devote Gehilfe der Königin, der sich erst später als Durand-Durand entlarvt, klärt Barbarella darüber auf, woher die Energie für die Stadt der Bosheit kommt: Aus dem Matmos, einem Ozean, der sich aus den verbrecherischen und destruktiven Gedanken der Bevölkerung speist. Dank des Rebellen Dildano (David Hemmings) gelingt Barbarella und Pygar die Flucht. Der Befreier besitzt einen unsichtbaren Schlüssel zur geheimen „Kammer der Träume“ der Königin und händigt ihn Barbarella nach dem Austausch von buchstäblich haarsträubenden „Verzückungspillen“ aus.
Zurückgekehrt nach Sogo, um die Hauptstadt der Bosheit zu zerstören, wird Barbarella abermals festgenommen und von einem wegen seiner Bosheit um 30 Jahre gealterten Durand-Durand in eine „Lustmaschine“ gesperrt, eine Art Orgel, die, wenn sie gespielt wird, ihre Opfer durch ein Übermaß an sexueller Lust tötet. Doch Barbarellas sexuelle Energie ist zu stark, die Maschine explodiert. Aufgebracht reißt Durand-Durand den unsichtbaren Schlüssel zur „Kammer der Träume“ der Königin an sich und sperrt Barbarella mit der Tyrannin dort ein. Als er sich selbst zum Herrscher über Sogo ausruft, kommt es jedoch zum Aufstand, und den Rebellen gelingt der Sieg über die Truppen des Bösewichts.
In die Enge getrieben, greift Durand-Durand zu seiner mächtigsten Waffe, der gigantischen „Positronen-Strahlenkanone“, mit deren Hilfe er die Rebellen vorübergehend in die vierte Dimension versetzt. Aus Rache öffnet die Schwarze Königin die Schleusen zum Matmos, in der Annahme, alles zu vernichten. Doch Barbarella kann der Ozean aus bösen Absichten nichts anhaben: Sie ist unschuldig, deshalb stößt er sie ab und bildet um sie und die Schwarze Königin eine Blase. Gerettet, treffen sie auf Pygar, der die beiden Frauen unter seine Flügel nimmt und zurück zum mittlerweile reparierten Raumschiff transportiert. Gefragt, warum er auch die Tyrannin vor dem Tod bewahrt, antwortet Pygar: „Ein Engel kann sich nicht erinnern.“
