故事發生在遙遠的26世紀，外科醫生依德（克裏斯托弗·瓦爾茲 Christoph Waltz 飾）在垃圾場裏撿到了只剩下頭部的機械少女將她帶回家中，給她裝上了本來為自己已故的女兒所準備的義體，並取名阿麗塔（羅莎·薩拉紮爾 Rosa Salazar 飾）。蘇醒後的阿麗塔對這個五彩斑斕但卻暴力而又殘酷的世界產生了濃厚的興趣，在結識了青年雨果（基恩·約翰遜 Keean Johnson 飾）後，阿麗塔開始接觸名為機動球的運動，並在比賽中展現出了驚人的格鬥天賦。
在廢鐵城居民們的頭頂，漂浮著巨大的浮空城市撒冷，廢鐵城居民們的一切勞作和付出，都是為了給撒冷提供繼續運作的燃料。在大財閥維克特（馬赫沙拉·阿裏 Mahershala Ali 飾）所設立的機動球比賽中，最終獲得冠軍的人能夠獲得前往撒冷生活的資格，阿麗塔決定利用自己的格鬥天賦參加比賽，卻被卷入了一個巨大的陰謀之中。