Die Astronautin Barbarella erhält den Auftrag, den Wissenschaftler Durand-Durand ausfindig zu machen, der eine gefährliche Waffe entwickelt, die den Frieden in der Galaxis ernsthaft bedrohen könnte.

41. Jahrhundert. Nachdem sie im Antischwerkraft-Striptease-Modus eine ungeheure Strecke im Weltraum hinter sich gebracht hat, macht sich Agentin Barbarella (Jane Fonda) daran, auf dem Planeten Lythion in der Stadt Sogo, wo zu jeder Stunde eine neue Sünde "erfunden" wird, den teuflischen Wissenschaftler Durand Durand (Milo O'Shea) aufzutreiben. Doch dieser hat sich im Sündenbabel gut eingerichtet und betreibt dort den sogenannten Exzessiv-Stimulator, ein gewaltiges Sexorgan, mit dem der geübte "Künstler" am Schaltpult seinen Opfern tödliche Orgasmen besorgen kann. Aber auch andere seltsame und triebgesteuerte Wesen betreiben in Sogo Sex und Lust als Leistungssport. Da kommt ihnen die ungemein attraktive Erdenbürgerin Barbarella gerade wie gerufen.