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Hongkong 1966: Der Schriftsteller Chow schreibt in seinem Hotelzimmer an einem Science-Fiction-Roman. Je weiter er seine fiktive, in der Zukunft spielende Liebesgeschichte vorantreibt, desto tiefer taucht er auch in einen Strudel von Erinnerungen an eigene Liebesaffären ein. Vor seinem inneren Auge treten die drei Frauen noch einmal auf, die für ihn wichtig waren. Jede hat ihre unauslöschliche Spur in seiner Seele hinterlassen, doch vor allem die Gedanken an seine einzige wirkliche, unerfüllt gebliebene Liebe verfolgen ihn. In seinem Kopf entsteht ein geheimnisvoller, faszinierend schillernder Bilderreigen, ein Sog aus schönen und traurigen Gefühlen, geheimen Sehnsüchten und wilden Leidenschaften. Und bald wird klar, dass Phantasie und sehnsuchtsvolle Erinnerungen untrennbar miteinander verbunden sind...
Valerian (Dane DeHaan) und Laureline (Cara Delevingne) sind Spezialagenten der Regierung und mit der Aufrechterhaltung der Ordnung im gesamten Universum beauftragt. Während der verwegene Frauenheld Valerian es auf mehr als nur eine berufliche Beziehung mit seiner schönen Partnerin abgesehen hat, zeigt ihm die selbstbewusste Laureline jedoch die kalte Schulter.
Als intergalaktische Außerirdische die Video-Übertragung klassischer, alter Arcade Spiele als Kriegserklärung gegen sie missverstehen, greifen sie die Erde an. Dabei benutzen sie die Spiele als Vorlage für ihre unterschiedlichen Attacken.