En el siglo XXVIII, gracias a la cooperación entre la Tierra y los pueblos extraterrestres, la antigua Estación Espacial Internacional se ha ampliado hasta que su masa amenaza con provocar una perturbación gravitatoria en la propia Tierra. Reubicada en el espacio profundo, se convierte en Alpha, una ciudad espacial habitada por millones de especies de miles de planetas. La Federación Humana Unida crea una división policial para preservar la paz en la galaxia, que incluye al arrogante comandante Valerian y a su compañera, la sensata sargento Laureline.

De camino a una misión, Valerian sueña con un planeta, Mül, donde una raza humanoide de baja tecnología vive pacíficamente. Pescan perlas que contienen enormes cantidades de energía y utilizan animales para reproducirlas. Comienzan a caer restos del cielo, seguidos de una enorme nave espacial que provoca una explosión que aniquila a todos los seres del planeta. Algunos de los habitantes entran en una nave desechada, quedando accidentalmente atrapados en su interior, pero la princesa del planeta, Lihö-Minaa, queda varada fuera. Justo antes de su muerte, transmite un mensaje telepático.

Valerian se despierta conmocionado. El análisis revela que podría haber recibido una señal del otro lado del tiempo y del espacio. Se entera de que su misión es recuperar un "convertidor de Mül". Es el último de su clase, y actualmente está en manos del traficante del mercado negro Igon Siruss. Valerian le pide a Laureline que se case con él, pero ella lo rechaza.

En un mercado del planeta Kirian, en una dimensión alternativa, Valerian interrumpe una reunión entre Igon y dos figuras encapuchadas que se parecen a los humanoides de su visión. Buscan el convertidor, el pequeño animal de su visión. Valerian y Laureline recuperan el convertidor y roban una de las perlas de energía. A bordo de su nave, Valerian se entera de que Mül fue destruido 30 años antes y de que toda la información sobre él está clasificada.

Regresan a Alfa, donde el comandante Arün Filitt les informa de que el centro de la estación ha sido irradiado por una fuerza desconocida, haciéndolo altamente tóxico. Las tropas enviadas a la zona no han regresado y la radiación está aumentando. Laureline y Valerian son asignadas para proteger al comandante durante una cumbre entre estaciones para discutir la crisis; en contra de los deseos del comandante, Laureline mantiene la posesión del convertidor.

Durante la cumbre, unos humanoides no identificados atacan repentinamente, incapacitando a todos y secuestrando a Filitt. Valerian persigue a los secuestradores hasta la zona irradiada, pero su avión espacial se estrella durante la persecución. Laureline recurre a un agente de información alienígena conocido como Dogan Daguis para que rastree a Valerian, y lo encuentra inconsciente al borde de la zona irradiada. Ella lo despierta, pero es secuestrada por una tribu primitiva, los Boulan Bathors del planeta Goara, y presentada en la cena de su emperador como el plato elegido. Valerian se infiltra en el territorio de la tribu con la ayuda de la Burbuja que cambia de forma. Rescatan a Laureline y escapan, pero Bubble resulta herida de muerte.

Valerian y Laureline se adentran en la zona irradiada, descubren que no es peligrosa y que contiene los restos de una antigua nave espacial. Llegan a una gran sala blindada donde encuentran a los humanoides, conocidos como las Perlas, con una Filitt inconsciente. El líder de los Perlas, el emperador Haban Limaï, explica que su pueblo vivía pacíficamente en Mül hasta que se produjo una batalla entre la Federación y otra facción. Filitt, el comandante humano, ordenó el uso de misiles de fusión que inutilizaron la nave nodriza enemiga y la hicieron estrellarse contra el planeta, aniquilando Mül. Al morir, la princesa Lihö-Minaa transfirió su alma al cuerpo de Valerian.

Cuando las Perlas supervivientes quedaron atrapadas en un vehículo espacial derribado de la batalla, consiguieron repararlo y aprendieron la tecnología y la historia de los humanos. Finalmente llegaron a Alfa, donde asimilaron más conocimientos y construyeron una nave propia. Necesitaban el convertidor y la perla para poder lanzar su nave y encontrar un planeta para recrear su mundo natal. Filitt admite su papel en el genocidio, pero argumenta que era necesario para acabar con la guerra, al igual que el encubrimiento, para evitar que los humanos perdieran su credibilidad e influencia en Alfa. Valerian y Laureline no están de acuerdo, argumentando que el comandante está tratando de evitar las consecuencias de sus acciones. Cuando Filitt se pone beligerante, Valerian lo noquea.

Valerian le entrega la perla que le quitó a Igon, y Laureline le convence de que devuelva el convertidor. Mientras las Perlas preparan su nave para despegar, los soldados robot K-Tron de Filitt atacan a las Perlas y a los soldados del gobierno enviados para ayudar a Valerian, pero son finalmente derrotados. La nave espacial parte y Filitt es arrestado. Valerian y Laureline quedan a la deriva a bordo de un módulo de mando/servicio Apolo, y Laureline responde a la propuesta de matrimonio de Valerian con un "tal vez" mientras esperan el rescate.