Valerian y la ciudad de los mil planetas cuenta con una gran variedad de personajes de todos los rincones del universo, tal y como explicó con anterioridad el guionista y director Luc Besson, que para esta película toma como base la clásica serie del cómic francobelga «Valerian, agente espacio-temporal» escrita por Pierre Christin y Jean-Claude Mezieres en 1967, que ha vendido más de 10 millones de copias y se ha traducido a 21 idiomas, y así convertir este mítico material en una épica saga contemporánea y singular de ciencia ficción.
En Valerian y la ciudad de los mil planetas, Valerian (Dane DeHaan) y Laureline (Cara Delevingne) son agentes especiales del gobierno de los territorios humanos, encargados de mantener el orden en todo el universo. Valerian busca algo más que una relación profesional con su compañera, por lo que la persigue abiertamente con constantes proposiciones románticas. Sin embargo, el amplio historial de Valerian con las mujeres, junto con los valores tradicionales de Laureline, la llevan a rechazar todos sus intentos.
Bajo las órdenes de su comandante (Clive Owen), Valerian y Laureline emprenden una misión en la impresionante ciudad intergaláctica de Alpha, una metrópolis en constante crecimiento compuesta por miles de especies distintas, procedentes de todos los rincones del universo. Los diecisiete millones de habitantes de Alpha han convergido con el tiempo, uniendo sus talentos, tecnología y recursos por el bien común. Por desgracia, no todo el mundo comparte esos mismos objetivos en Alpha; de hecho, hay en marcha unas fuerzas ocultas que ponen en grave peligro a nuestra raza.