故事發生在遙遠的26世紀，外科醫生依德（克里斯托弗·瓦爾茲飾）在垃圾場里撿到了只剩下頭部的機械少女將她帶回家中，給她裝上了本來為自己已故女兒所準備的義體，并取名阿麗塔（羅莎·薩拉扎爾飾）。蘇醒后的阿麗塔對這個五彩斑斕但卻暴力而又殘酷的世界產生了濃厚的興趣，在結識了青年雨果（基恩·約翰遜飾）后，阿麗塔開始接觸名為機動球的運動，并在比賽中展現出了驚人的格斗天賦。在廢鐵城居民們的頭頂，漂浮著巨大的浮空城市撒冷，廢鐵城居民們的一切勞作和付出，都是為了給撒冷提供繼續運作的燃料。在大財閥維克特（馬赫沙拉·阿里飾）所設立的機動球比賽中，最終獲得冠軍的人能夠獲得前往撒冷生活的資格。逐漸覺醒與生俱來的戰斗本能的阿麗塔，在追尋身世之謎的過程中發現維克特企圖利用冠軍身份操控毀滅性機械軍團，而自己體內蘊含的火星文明心臟力量成為改變兩個世界命運的關鍵。經過與機械軍團核心體的終極對決，阿麗塔摧毀了維克特的陰謀，心臟釋放的能量使撒冷墜落至地面，徹底終結了橫亙數百年的階級壓迫體系。