在26世纪的未来世界，人类分为两个阶层：上等人居住在浮空的撒冷空间站，而平民则生活在废土般的钢铁城。钢铁城中，人类与机械改造人共存，弱肉强食是唯一的生存法则。著名的改造人医生依德在垃圾场发现了一个半机械少女的残躯，将她改造成拥有机械身体的少女，并取名为阿丽塔。苏醒后的阿丽塔失去了记忆，对世界充满好奇。她遇见了街头少年雨果，两人逐渐产生感情。然而，阿丽塔偶然发现自己拥有惊人的战斗力，并在面对厮杀的过程中逐渐恢复记忆，想起自己的使命。她决定对抗钢铁城中的黑暗势力，揭开自己身世的真相，并完成未竟的使命。