Alita (Rosa Salazar) despierta en un mundo futurista sin reconocerlo ni recordar quien es. Luego Ido (Christoph Waltz), quien es un médico compasivo, la encuentra y se da cuenta que aunque por fuera es un cyborg abandonado, dentro de ella está el corazón y alma de una mujer joven con un pasado extraordinario.

Mientras Alita lucha por tomar las riendas de su nueva vida y aprende a adaptarse a las peligrosos de Iron City, Ido tratará de protegerla de su propio pasado, pero su nuevo amigo Hugo (Keean Johnson) se ofrecerá a ayudarla a desenterrar sus recuerdos.

Fuerzas corruptas que controlan la ciudad comenzarán a perseguir a Alita y ella descubrirá que posee habilidades de combate únicas, por lo que quienes ostentan el poder querrán controlarla.