La série, d'abord sur-titrée Valérian, agent spatio-temporel, a pour héros central Valérian. Laureline était au départ un personnage de circonstance qui ne devait apparaître que dans la première histoire, mais, sauvée par le courrier des lecteurs du journal Pilote, elle prend de plus en plus de place et devient progressivement héroïne à part entière. Depuis L'Ordre des Pierres, la série s'appelle Valérian et Laureline, officialisant ainsi, pour ses 40 ans, la place prise par Laureline mais aussi la perte par les deux héros de leur statut d'agents spatio-temporels.
Valérian est originaire de Galaxity, la mégapole terrienne du XXVIIIe siècle, capitale de l'empire galactique terrien. Il est depuis 2713 l'un des agents et sans doute le meilleur élément du Service Spatio-Temporel (SST). Sa mission est de maintenir l’ordre terrien dans l’Univers. Il peut, à l'aide de son vaisseau spatial, parcourir l'immensité de l'espace et effectuer des voyages dans le temps, dans le passé comme dans le futur.
Valérian a un caractère peu trempé. Plutôt dilettante, ce n'est pas vraiment un gagneur et il a l’art de se mettre dans des situations difficiles. Il est présenté un peu comme l'opposé des bons boy-scouts des bandes dessinées franco-belges ou l'antithèse des superhéros des comics américains — auxquels il est d'ailleurs confronté jusqu'à la caricature dans Les Héros de l'équinoxe. Ce profil d'antihéros, qui rend le personnage sympathique, est souvent considéré comme une caractéristique particulièrement attirante de la série.
Laureline apparaît initialement comme une sauvageonne vivant dans la forêt d'Arelaune, sur la Terre du XIe siècle. Ramenée par Valérian à Galaxity, elle intègre à titre exceptionnel le Service Spatio-Temporel en 2721 et devient sa coéquipière, avant d'être sa compagne. Valérian et Laureline forment rapidement un vrai couple. Des scènes de jalousie dans Brooklyn station terminus cosmos font suite à leur premier baiser dans L'Empire des mille planètes et leur vie commune est officialisée à la première case des Foudres d'Hypsis.
Laureline est une jeune femme de tête, particulièrement décidée, un garçon manqué, au moins égale au héros. Elle sort bien souvent Valérian des guêpiers où, homme d'action plus que de réflexion, il ne manque pas de tomber. Laureline est le contre-poids exact de Valérian, l'un dessine en creux l'autre.
« Laureline dès le début n'est pas un faire-valoir de Valérian. Il nous a semblé important que notre héroïne ait ce côté positif, tête claire, décidée et en même temps des jolies petites fesses », dixit Mézières. Au fil des albums, elle devient l'héroïne centrale de la série à tel point qu'après les Héros de l'équinoxe, Christin cherche, par touches successives, à revaloriser son héros. Mais dans la quadrilogie finale, Laureline laisse passer Valérian pour son employé.
Dans leur quête, Valérian et Laureline ont des alliés fidèles comme Monsieur Albert, les Shingouz, le Schniarfeur, le Transmuteur Grognon de Bluxte et Ky-Gaï ; et des ennemis plus ou moins dangereux comme Xombul, la Trinité d’Hypsis, le Triumvirat de Rubanis, le Quatuor Mortis ou les Wolochs.
Dans les trois premières histoires de la série, Valérian pourchasse un dissident, Xombul, superintendant des rêves, qui cherche à prendre le pouvoir à Galaxity. Dans Les Mauvais Rêves, Xombul retourne sur Terre au XIe siècle pour s'approprier les pouvoirs du magicien Albéric le Vieil. Avec l'aide d'une sauvageonne de rencontre, Laureline, Valérian parvient à faire échouer cette tentative. Dans La Cité des eaux mouvantes et dans la suite Terres en flammes, Xombul parvient à s'échapper de nouveau sur la Terre du XXe siècle. Il pense pouvoir profiter d'un cataclysme nucléaire pour s'approprier des connaissances scientifiques qui feraient de lui un nouveau maître de l’Univers. Sun Rae, un pillard new-yorkais, et Schroeder, un jeune savant, aident Valérian et Laureline à poursuivre Xombul. Finalement ce dernier disparaît dans la dématérialisation d'une machine à remonter le temps qui ne pouvait pas encore être fonctionnelle.
Dans L'Empire des mille planètes, Valérian et Laureline aident la Guilde menée par Elmir le marchand à rétablir l'ordre sur Syrte-la-Magnifique. Ils découvrent à cette occasion que les Connaisseurs sont les rescapés d'une expédition spatiale terrienne lancée à la recherche d'une planète d'accueil pour sauver l'humanité, à la suite du cataclysme nucléaire de 1986. Alerté par une série de phénomènes inexplicables, le Superintendant de Galaxity tente, dans Les Spectres d'Inverloch, d'empêcher le déclenchement de l'âge noir de la Terre. Avec l'aide de Valérian et Laureline, de Monsieur Albert, de Ralph le Glapum'tien et des Shingouz, il déjoue les plans de la Trinité d'Hypsis. Une négociation avec ces faux Dieux permet de changer le passé de la planète : l'explosion nucléaire (Les Foudres d'Hypsis) qui l'a dévastée au XXe siècle n'aura pas lieu. Cette modification de l'histoire a pour conséquence la disparition de Galaxity, qui était née de l'âge noir.
C'est alors qu'un ex-membre du Service spatio-temporel, Jal, s'approprie les pouvoirs de Kistna, survivante d'une espèce très ancienne et très puissante, pour répliquer une explosion nucléaire qui doit corriger les altérations de la trame du temps. Sur les frontières, Valérian et Laureline, avec l'aide de Monsieur Albert, font échouer toutes ses tentatives. Ayant perdu la Terre de Galaxity, devenus mercenaires à la solde du colonel Tlocq dans Les Cercles du pouvoir, tous deux se confrontent au futur Triumvirat de Rubanis. C'est en réunissant des données sur des événements épars qu'ils se heurtent à LCF Sat et de nouveau à la Trinité d'Hypsis. Ils en obtiennent des informations sur l'existence de leur planète, perdue quelque part dans l'Univers, Par des temps incertains.
Dans l'antépénultième et la pénultième histoire de la série (respectivement Au bord du Grand Rien et L'Ordre des Pierres), Valérian et Laureline se lancent à la recherche de la Terre de Galaxity, aux confins de l'Univers, en se joignant à une expédition d'exploration dirigée par la commandante Singh'a Rough'a. Ils découvrent alors la puissance des Wolochs qui sont à l'origine de tous les malheurs de la Terre. C'est dans le dernier album, L'OuvreTemps, qui doit sortir fin 2009 ou début 2010, que les héros devraient affronter les Wolochs et mettre fin à leur quête.
Le point de départ de la série se situe sur Terre, à Galaxity, au XXVIIIe siècle après J.-C., dans les années 2720.