"Cowboy Bebop: The Movie" spielt im Jahr 2071, ein Jahr vor den Ereignissen der Serie "Cowboy Bebop". Die Handlung dreht sich um die Besatzung des Raumschiffs Bebop, bestehend aus dem charismatischen Kopfgeldjäger Spike Spiegel, dem ehemaligen Polizisten Jet Black, der mysteriösen Faye Valentine und dem hochintelligenten Datenhund Ein. Die Gruppe jagt Kopfgeldgelder, um ihren Lebensunterhalt zu bestreiten, und stolpert dabei über einen gefährlichen Fall.

Ein Terroranschlag erschüttert die Stadt Alba City auf dem Mars, bei dem ein Tanklastwagen explodiert und eine tödliche biochemische Substanz freisetzt. Die Regierung setzt ein hohes Kopfgeld auf den Täter aus, was die Aufmerksamkeit der Bebop-Crew erregt. Spike und Jet beginnen zu ermitteln und stoßen auf Vincent Volaju, einen ehemaligen Soldaten, der an einem geheimen Militärexperiment teilgenommen hat. Vincent ist von Wahnvorstellungen geplagt und plant, die gesamte Bevölkerung mit einem Virus zu infizieren, der Menschen in einen Zustand der Euphorie und schließlich des Todes versetzt.

Während der Ermittlungen trifft Spike auf Elektra Ovirowa, eine ehemalige Geliebte von Vincent, die ebenfalls in das Militärexperiment verwickelt war. Elektra versucht, Vincent aufzuhalten, und arbeitet zeitweise mit der Bebop-Crew zusammen. Die Handlung führt zu einer Reihe von Konfrontationen, bei denen Spike und Vincent ihre gegensätzlichen Weltanschauungen und Kampffähigkeiten unter Beweis stellen. Die finale Auseinandersetzung findet in einer überfüllten Veranstaltungshalle statt, wo Vincent seinen Plan in die Tat umsetzen will. Spike gelingt es schließlich, Vincent zu besiegen und die Katastrophe zu verhindern.

Die Charaktere bleiben ihren etablierten Persönlichkeiten treu: Spike ist der ruhige, aber tödliche Kämpfer, Jet der pragmatische Anführer, Faye die undurchsichtige Abenteurerin, und Ein liefert humorvolle und technische Unterstützung. Der Film erweitert das Universum von "Cowboy Bebop" durch eine eigenständige Geschichte, die thematisch an die Serie anknüpft, mit Schwerpunkten auf Einsamkeit, Vergangenheitsbewältigung und der Suche nach Sinn in einer chaotischen Welt.