60-е годы, Лондон. Мать-одиночка женщина по имени Энн недавно переехала в столицу Великобритании из Нью-Йорка вместе с дочерью Банни. С отцом девчушки женщина уже давно не поддерживает контактов. Вместе с братом-журналистом они снимают квартиру. В один из дней женщина отводит дочь в детский сад, а когда приходит забрать её, то Банни не выходит. Выясняется, что девочка куда-то исчезла. Расспросы воспитателей не дают никаких результатов. Никто из персонала не знает никакую Банни. На место прибывает полицейский Ньюхаус и начинает расследование. Чем дальше заходит расследование, тем больше полицейский начинает сомневаться. В какой-то момент он и вовсе подумывает о том, что никакой Банни и не было никогда.

Лемми Коушен — частный детектив, который прибывает в город будущего Альфавиль, для того чтобы найти агента Генри Диксона. Сам город Альфавиль находится под контролем профессора фон Брауна и управляется с помощью компьютерной системы под названием Альфа-60. В городе объявлены вне закона все гуманные человеческие чувства, такие как любовь, нежность, сострадание и взаимопомощь, а также запрещены поэзия и романтика. Все эти запреты привели в Альфавиле к негуманному и отчуждённому обществу. Лемми Коушен пытается с помощью Наташи, дочери профессора фон Брауна, изменить ситуацию в городе к лучшему.