Im Jahr 40.000 erhält die Astronautin Barbarella vom Erdpräsidenten den Auftrag, den vermissten Wissenschaftler Durand-Durand zu finden und ihn an der Entwicklung einer Waffe zu hindern, die den jahrhundertelangen galaktischen Frieden bedrohen könnte. Streng genommen ist ihr Beruf nicht Astronautin, sondern Astronavigatrice und der Gruß vom Erdpräsidenten an sie und retour ist: „Sieg der Liebe“ (Englisch: Love). Auf dem Weg zu dem Planeten, auf dem Durand-Durands Raumschiff abgestürzt ist, geraten Barbarella und ihr Raumschiff ebenfalls in einen „elektrischen Strudel“ in der Atmosphäre des Planeten. Barbarella und ihr Raumschiff stürzen ab.

Nach der Bruchlandung wird sie von kindartigen Wesen gefesselt und von deren Puppen angegriffen, die sie mit ihren messerscharfen Zähnen um ein Haar verspeisen. Gerettet wird sie in letzter Sekunde von einem stark behaarten Unbekannten, der ihr die Vorzüge des körperlichen Sexes offenbart – sie kannte bisher nur den durch sogenannte „Verzückungsübertragungspillen“ simulierten Geschlechtsverkehr. Der Mann und seine Crew, bestehend aus zwei Robotern, bringen Barbarella mit einem Fahrzeug zu ihrem beschädigten Raumschiff zurück. Dort angekommen beginnt der Unbekannte mit den Reparaturen. Als das Raumschiff endlich wieder flugtüchtig ist, fliegt Barbarella davon; ein Teil wurde wohl nicht richtig geflickt und so stürzt Barbarella erneut ab.

Auf der Suche nach Hilfe trifft sie auf den blinden Pygar, nach eigenem Bekunden letzter der Ornithothropen, der sie zu einem Labyrinth bringt, wohin „Der große Tyrann“, der Herrscher des Planeten, all jene verbannt, die seinem Regime gegenüber nicht absolut loyal sind. Zudem werden in Sogo, der Hauptstadt des Planeten, nur sehr bösartige Wesen toleriert. Pygar, der in der Stadt gequält wurde, traut sich nicht mehr zu fliegen. Barbarella verliebt sich in ihn und nach langem Sex ist Pygar wieder flugbereit. Ein Bekannter von Pygar, ein etwas schusseliger Professor, hilft Barbarella, ihr Raumschiff zu reparieren, während sie und Pygar zu der Stadt des „großen Tyrannen“ fliegen. Auf dem Weg dorthin treffen sie allerdings auf Raumschiffe, die das Feuer auf Barbarella und ihren Freund eröffnen. Doch mit Barbarellas Laserwaffen können alle zerstört werden.

Als sie in der Stadt ankommen, entdeckt Barbarella den „großen Tyrannen“, bei dem es sich um eine brünette Frau handelt. Sie möchte Barbarella zum lesbischen Sex animieren. Als Barbarella sich weigert, lässt „Der große Tyrann“ sie und Pygar einsperren. Barbarella gelingt jedoch mit Hilfe der Rebellen die Flucht. Sie findet heraus, dass Durand-Durand mit der sogenannten „Lustorgel“ eine Waffe erschaffen hat, die ein Opfer durch ein Übermaß an sexueller Lust tötet. Auch Barbarella wird der Wirkung des Geräts ausgesetzt, sie überlebt jedoch, wobei das Gerät zerstört wird. Mit der Hilfe von Aufständischen können die Roboter und Raumschiffe des „großen Tyrannen“ vernichtet werden.

Um sich zu schützen, setzt Durand-Durand seine mächtigste Waffe ein – eine riesige Strahlenkanone, mit deren Hilfe er alle Aufständischen in die vierte Dimension versetzt. Doch durch den „großen Tyrannen“ wird der Mathmos, eine Art Anti-Gaia, befreit, das die Stadt und mit ihr Durand-Durand und seine Strahlenkanone zerstört. Pygar, „Der große Tyrann“ und Barbarella sind am Ende die einzigen Überlebenden, sie fliegen zu Barbarellas Raumschiff zurück, das dank des Professors nun wieder funktioniert.