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Im Jahr 40 000 wird die Astro-Agentin Barbarella (Jane Fonda) ins All geschickt, um dem Wissenschaftler Durand-Durand eine Geheimwaffe abzujagen. Bevor sie den Bösewicht auf einem unbekannten Himmelskörper aufspürt, hat sie jedoch zahlreiche fantastische Abenteuer zu bestehen: Bei der Notlandung auf einer Eiswelt gerät sie in die Fänge sadistischer Kinder, kann aber von einem Trapper gerettet werden, den sie zum Dank kurzerhand auf ein Schäferstündchen in ihr Raumfahrzeug einlädt. Im Reich der Schwarzen Königin trifft Barbarella dann den blinden Vogelmenschen Pygar (John Phillip Law) sowie eine Reihe anderer Wunderwesen und gerät beinahe in die "Lustorgel" der lesbischen Herrscherin, in der ungeliebte Gäste durch permanente Orgasmen hinweggerafft werden. Als die knackige Agentin endlich dem gesuchten Durand-Durand gegenübersteht, entpuppt sich dieser als Lakai der Schwarzen Königin, der mit seiner Geheimwaffe das gesamte Universum unterjochen will.