Nous sommes quelque part dans le futur. La vie de la planète s'est réfugiée sous terre. Les gens n'ont plus de nom mais seulement un numéro matricule. Tous sont dirigés par des machines qui règlent chaque minute de leur vie. La population souterraine se nourrit essentiellement de drogues et de tranquilisants. Les tenues sont si strictes et si identiques pour tous, de même que les coiffures, qu'on distingue mal les hommes des femmes. D'ailleurs, l'amour est interdit et la reproduction se fait de façon chimique. Cependant, un couple THX 1138 et LUH 3417, avant refusé de prendre sa ration de drogue, veut sortir de cet enfer robotisé et réinventer l'amour. THX 1138, dont le travail ne donne plus satisfaction aux machines, est arrêté. Dans sa prison, il fait connaissance avec un homme qui lui révèle une voie secrète pour fuir de la cité souterraine. Au cours de sa fuite, il perd contact avec LUH dont il ne retrouvera plus que le cadavre. Parmi d'interminables corridors, il est pourchassé par les robots-policiers. Son compagnon de fuite est abattu. Grâce à sa ténacité, THX échappe à ses poursuivants et atteint l'un des orifices qui mènent à la surface de la terre. Une fois à l'air libre, THX reste figé, comme foudroyé par la lumière du soleil.