W XXIII wieku katastrofalna wojna znana jako Upadek pozostawiła Ziemię zdewastowaną. 300 lat później w 2563 roku, podczas eksploracji złomowiska w Żelaznym Mieście, doktor zajmujący się cybernetyką Dyson Ido, odkrywa bezcielesnego żeńskiego cyborga z całkowicie nienaruszonym ludzkim mózgiem. Ido podłącza cybernetyczne ciało do mózgu, który nie ma żadnych wspomnień z przeszłości i nazywa ją Alita po swojej zmarłej córce, dla której pierwotnie zbudował ciało. Alita spotyka się ze swoim nowym przyjacielem Hugo, który marzy o przeprowadzce do wielkiego podniebnego miasta Zalem unoszącego się nad Żelaznym Miastem. Hugo wprowadza ją w świat sportu wyczynowego zwanego Motorballem, w którym cyborgi walczą na śmierć i przepustkę do Zalemu.