Alpha ist im Jahr 2020 noch eine kleine Raumstation, die aus der ISS hervorging, wird aber schnell ein großer, um die Erde kreisender Komplex, der von Raumfahrern aller Nationen der Erde bewohnt wird. Im Jahr 2150 stoßen erste Außerirdische dazu. Bald schon erreicht die Station durch immer neue Anbauten und andockende Schiffe eine kritische Masse, die das Kraftfeld der Erde beeinflusst, weshalb sie mit Schubtriebwerken in Richtung der Magellanschen Wolken geschickt wird.
400 Jahre später auf Mül: Die tropische Ozeanwelt mit ihren blauen Lagunen und weißen Stränden wird von sanften Wesen namens Pearls, alterslosen Humanoiden, bewohnt. Sie leben in Harmonie mit kleinen, vierbeinigen Tieren, die als Transmutatoren in der Lage sind, die Perlen, die die Pearls auf dem Planeten sammeln, zu vervielfachen, wenn man sie damit füttert. Eines Tages wird ihre Idylle zerstört, als sich gewaltige Explosionen am Himmel zeigen und brennende Raumschiffe auf den Planeten stürzen. Als eine Feuerwalze über Mül hinwegfegt, schaffen es nur wenige, sich in einem der abgestürzten Raumschiffe zu schützen, alle anderen Planetenbewohner sterben bei der Katastrophe. Die Tochter des Kaisers sendet beim Sterben ihr Lebenssignal ins All.
Dreißig Jahre danach, an Bord eines Raumschiffes: Major Valerian empfängt Signale von Mül, die er nicht einordnen kann; auch der Schiffscomputer kann sie nicht bestimmen. Er und Sergeant Laureline sind Spezialagenten der Regierung der menschlichen Territorien, die mit der Aufrechterhaltung von Recht und Ordnung im gesamten Universum beauftragt sind. Sie arbeiten von Galaxity aus, der Hauptstadt der Erde und des Terranischen Galaktischen Imperiums. Der junge Major hat es auf mehr als nur eine berufliche Beziehung mit seiner schönen Partnerin abgesehen, die selbstbewusste Laureline hält ihn jedoch für einen egoistischen Frauenhelden und zeigt ihm die kalte Schulter, wenn ihr Valerian romantische Avancen macht.
Auf Anordnung des Ministeriums begeben sich die beiden Gesetzeshüter mit ihrem Raumschiff Intruder, das auch durch die Zeit reisen kann und über die künstliche Intelligenz Alex verfügt, auf eine Mission. Sie sollen auf dem Planeten Kyrion einen Transmutator vom Planeten Mül suchen, der der letzte seiner Art ist. Valerian macht Laureline vor Beginn der Mission einen Heiratsantrag, den sie nicht ernst nimmt. Auf dem Wüstenplaneten befindet sich ein riesiger, virtueller Basar, der sich in einer anderen Dimension befindet und auf dem ein geschäftiges Treiben herrscht. Allerdings kann man diesen nur mit einem speziellen Helm sehen, während man ohne dessen Hilfe nur die Wüste sehen kann. Valerian muss dort den Transmutator in einem Labyrinth von tausenden Ebenen finden und befreit ihn schließlich aus den Fängen eines Hehlers, der ihn gerade an zwei überlebende Pearls verkaufen will, sich es dann aber doch anders überlegt. Dieser Einsatz geht jedoch längst nicht so reibungslos vonstatten, wie der Agent dies geplant hat. Seine Spezialausrüstung, mit der er zwischen verschiedenen Dimensionen hin und her springen kann, hat einen Defekt. Die zur Unterstützung mitgekommene Militäreinheit wird nach und nach getötet, und Laureline muss Valerian helfen, der aber immerhin das Tier und eine Perle sicherstellen konnte, woraufhin beide mit ihrem Raumschiff fliehen. Valerian findet heraus, dass in der Perle, die er mitgebracht hat, zwanzig Megatonnen Energie stecken. Außerdem erkennt er die Perle und den Transmutator wieder: Er begegnete den beiden in einer Vision, die er kurz vor Missionsbeginn hatte, deren Ursprungsort der Schiffscomputer Alex aber nicht bestimmen konnte.
Valerian und Laureline bringen das Wesen zu dem Fünf-Sterne-General Commander Arün Filitt in die interstellare Stadt Alpha, die sich mittlerweile 700 Millionen Meilen von der Erde entfernt befindet. Die Mega-Metropole beheimatet nunmehr tausende verschiedene außerirdische Spezies aus allen Winkeln des Universums. Viele Millionen von ihnen sind Menschen und verwandte Arten, die 5000 verschiedene Sprachen sprechen. Sie alle haben ihre Technologien, Ressourcen, Talente und ihr Wissen zum Vorteil aller vereint. Allerdings scheint die Zukunft von Alpha in Gefahr, denn Valerian und Laureline erfahren von einer radioaktiven Zone im Zentrum der Stadt, von der Commander Filitt im Sicherheitsrat berichten will. Von ihnen unbeobachtet, besucht der Commander ein geheimes Labor, in dem ein Pearl gefangen gehalten und erfolglos verhört wird. Die anschließende Sitzung des Sicherheitsrats wird von einer Gruppe Pearls gestürmt, die alle Anwesenden lähmen und den Commander entführen. Valerian verfolgt die Entführer, bis er vom Überwachungsschirm des Kontrollzentrums verschwindet. Bei dem Versuch, ihren Partner aufzuspüren, hilft Laureline eine telepathische Qualle, aber als sie ihn gefunden hat, gerät sie selbst in die Hände einer Gruppe von Boulan-Bathor. Alex, die künstliche Intelligenz des Raumschiffs, hat jedoch einen Plan, wie er sie befreien kann. Er besucht die Show von Bubble, einer Formwandlerin, die im Glammer Club in der Paradise Alley als Quickchangedresserin arbeitet, und kann sie überzeugen, ihre Fähigkeiten einzusetzen, um in das Gebiet der Boulan-Bathor zu gelangen, wo deren auf exotische Delikatessen versessener Kaiser gerade versucht, Laurelines Gehirn zu verspeisen. Gemeinsam töten sie einige der Boulan-Bathor; bei ihrer Flucht aus dem Palast wird Bubble tödlich verletzt und stirbt in den Armen Valerians.
Valerians Visionen führen die beiden in die angebliche Todeszone von Alpha, die tatsächlich eine geheime Schutzzone der Pearls ist und wo sie auf eine Gruppe von Pearls mit einem Raumschiff stoßen. Ihr Kaiser erzählt ihnen von der Zerstörung ihres Planeten und davon, dass es die Menschen waren, die Schuld daran trugen, dass sechs Millionen ihrer Art, darunter seine Tochter Prinzessin Lïhio-Minaa, den Tod fanden. Es war Arün Filitt, der ein Raumschiff in der Schlacht über ihrem Planeten kommandierte und Fusio-Geschosse abfeuern ließ, die die feindliche Raumschiffflotte zum Absturz auf dem Planeten Mül brachte und ihn zerstörte. Die Pearls, die sich auf ein teilweise zerstörtes Raumschiff retten konnten, eigneten sich in der Folge die Sprache und das Wissen der Menschen an. Ihr Raumschiff wurde von Schrotthändlern eingesammelt und auf die Baustelle von Alpha verbracht, wo sie mit ihrem Wissen ein neues Raumschiff bauen konnten. Um dieses in Betrieb nehmen zu können, fehlt ihnen aber eine Energiequelle, wozu sie die Perle und den Transmutator brauchen. Diesen wollten sie auf dem Basar des Planeten Kyrion dem Hehler abkaufen, als Valerian mit seinem Auftrag eingriff. Valerian zögert nun, den Pearls den Transmutator und die Perle von ihrem Planeten zurückzugeben, doch Laureline kann ihn davon überzeugen, dass dies die einzig richtige Entscheidung ist. In ihrem Raumschiff können die Pearls mithilfe der Perle und des Transmutators eine Simulation ihres zerstörten Planeten erschaffen. Die Königin entlässt die Seele der Prinzessin Lïhio-Minaa, die während Valerians Vision mit ihm verschmolzen war, von ihm.
Die Militäroperation zur Rückeroberung der „Roten Zone“ läuft unterdessen an. Der Commander, der sich in der Gefangenschaft der Pearls befindet, gibt zu, von den Bewohnern auf Pearl gewusst zu haben, aber er habe dennoch den Angriff befohlen, um den Krieg zu gewinnen. Im Nachhinein hat er alle Informationen gelöscht, um Sanktionen für die Menschheit zu verhindern. Es gelingt ihm, seine K-Trons, Kampfroboter seiner Leibwache, zu aktivieren. Nach einem opferreichen Kampf können die Pearls ihr Raumschiff starten. Sie entkommen mit Valerian und Laureline dem Angriff auf das Raumschiff. Die beiden werden von den Pearls in einer kleinen Rettungskapsel im All ausgesetzt. General Okto Bar kann den auf Alpha zurückgelassenen Commander verhaften. Laureline beantwortet schließlich den Heiratsantrag von Valerian, nachdem sie sich im Laufe der Ereignisse nähergekommen sind, nach einem kurzen, gag-reichen Gespräch mit einem Kuss und einem „Vielleicht“.