Quando Alita (Rosa Salazar) acorda sem memória de quem ela é num futuro que ela não reconhece, esta é levada por Ido (Christoph Waltz), um médico bondoso que percebe que dentro desta ciborgue abandonada está o coração e alma duma jovem mulher com um passado extraordinário.

Enquanto Alita aprende a lidar com a sua nova vida e caminhar pelas ruas traiçoeiras da Cidade de Ferro, Ido tenta protegê-la da sua misteriosa história, enquanto o seu novo amigo Hugo (Keean Johnson) a ajuda a recuperar as suas memórias.

Mas é quando as forças mortais e corruptas que controlam a cidade vêm atrás de Alita que ela descobre uma pista para o seu passado – ela tem capacidades únicas de combate que quem está no poder não consegue controlar. Se ela conseguir ficar fora do seu alcance, Alita pode ser a chave para a salvação dos seus amigos, família e o mundo que ela amava.