Im Jahr 4000 erhält die Astronautin Barbarella (Jane Fonda) vom Präsidenten der Erde einen Spezialauftrag. Sie muss den spurlos verschwundenen Wissenschafter Durand Durand (Milo O'Shea) ausfindig machen, der eine Weltvernichtungswaffe entworfen hat und diese an einen verfeindeten Planeten verkaufen will. Bei ihrer Reise durch das Weltall muss Barbarella eine Kette absurder Abenteuer bestehen, die sie völlig unvorbereitet treffen. Schon der Versuch, ohne Komplikationen auf dem Planeten zu landen, den Durand Durand angesteuert hat, scheitert. Sie wird mit ihrem Raumschiff in einen Sog gezogen und stürzt ab. Danach muss sie sich aggressiven Puppen erwehren, die mit gewalttätiger Konsequenz auf sie los gehen. Schließlich erfährt Barbarella vom blinden Engel Pygar (John Phillip Law), dass ein böser Tyrann (Anita Pallenberg) sein Unwesen auf dem Planeten treibt. Nachdem Barbarella den Engel mit Sex wieder fitgemacht hat, beginnen beide einen Kampf gegen den Tyrannen und Durand Durand.
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