Basierend auf dem internationalen Bestseller-Comic erzählt der Film die Abenteuer von Barbarella (Jane Fonda), die im Jahr 40.000 auf dem Planeten Lythion notlandet. Die interstellare Astro-Agentin muss in einer gefährlichen Mission den bösen Durand Durand aufspüren und ausschalten. Dabei gerät sie immer wieder in neue Schwierigkeiten und muss all ihre Fähigkeiten einsetzen, um gegen Roboter, Monster, die Black Guards, die finstere Königin sowie dem geheimnisvollen Engel Pygar (John Phillip Law) zu kämpfen. Dabei scheint Barbarella es kaum vermeiden zu können, nicht mindestens einen Teil ihres hautengen Raumanzugs zu verlieren!