西暦2740年。宇宙の平和を守るため、銀河をパトロールしている連邦捜査官のヴァレリアン（デイン・デハーン）とローレリーヌ（カーラ・デルヴィーニュ）。アルファ宇宙ステーションに降り立った彼らは、長い時間をかけて規模を広げ、多種多彩な種族が共存している“千の惑星の都市”の繁栄を目にする。だがその裏にはある秘密が存在し……。