在遥远的26世纪，外科医生依德（克里斯托弗·瓦尔兹 Christoph Waltz 饰）在垃圾场中发现了一台被遗弃的机械少女。这台少女只有头部，但依德决定将其带回家中，并为其装上了为已故女儿准备的义体。从此，她被命名为阿丽塔（罗莎·萨拉扎尔 Rosa Salazar 饰）。 苏醒后的阿丽塔对五彩斑斓却又暴力残酷的世界产生了浓厚的兴趣。她结识了青年雨果（基恩·约翰逊 Keean Johnson 饰），两人成为了朋友。阿丽塔开始接触名为机动球的运动，并在比赛中展现出了惊人的格斗天赋。 废铁城是一个浮空城市，居民们的一切劳作和付出都是为了给撒冷提供继续运作的燃料。在大财阀维克特（马赫沙拉·阿里 Mahershala Ali 饰）所设立的机动球比赛中，最终获得冠军的人能够获得前往撒冷生活的资格。阿丽塔决定利用自己的格斗天赋参加比赛，但她很快发现自己卷入了一个巨大的阴谋之中。