Όταν η Αλίτα (Ρόζα Σάλαζαρ) ξυπνά χωρίς να θυμάται ποια είναι σε έναν μελλοντικό κόσμο που δεν αναγνωρίζει, την περιμαζεύει ο Αΐντο (Κριστόφ Βαλτς), ένας ευγενικός επιστήμονας που αντιλαμβάνεται ότι κάπου μέσα σε αυτό το ανθρωποειδές κρύβεται η καρδιά και η ψυχή μιας νεαρής γυναίκας με ξεχωριστό παρελθόν. Καθώς η Αλίτα μαθαίνει να περιπλανιέται στη νέα της ζωή και στους επικίνδυνους δρόμους της Άιρον Σίτι, ο Αΐντο προσπαθεί να την προφυλάξει από το αινιγματικό παρελθόν της, τη στιγμή που ο «περπατημένος» νέος της φίλος Χιούγκο (Κίαν Τζόνσον) είναι διατεθειμένος να τη βοηθήσει να ξυπνήσει τις μνήμες της. Μόνο όταν οι φονικές και διεφθαρμένες δυνάμεις της πόλης καταδιώκουν την Αλίτα, εκείνη ανακαλύπτει ένα στοιχείο για το παρελθόν της – έχει μοναδικές πολεμικές ικανότητες και αυτοί που είναι στην εξουσία θα κάνουν τα πάντα για τις υποτάξουν. Αν καταφέρει να τους ξεφύγει, ίσως να είναι το κλειδί για τη σωτηρία των φίλων της, της οικογένειάς της και του κόσμου που έμαθε να αγαπά.