На дворе XXVI век. Доктор Идо (Кристоф Вальц) находит останки девушки-киборга Алиты (Роза Салазар) на свалке возле Железного города. Он относит ее к себе в лабораторию и находит способ оживить робота. Очнувшись, Алита осознает, что полностью утратила память. Все вокруг она познает заново, мир для девушки-киборга совершенно неузнаваем. Доктор Идо пытается отгородить свое дитя от ее загадочного прошлого, но вскоре объявляется старый друг Алиты по имени Хьюго (Кин Джонсон) и предлагает ей вернуть память. Между ними растет привязанность, и девушка почти соглашается, но внезапно на Алиту выходят элитные бойцы спецподразделения. В схватке с ними девушка-киборг открывает в себе невероятные способности к бою, которые она сможет применить, чтобы спасти всех, кто ей дорог и близок. Но чтобы найти своего врага, ей придется восстановить память и узнать страшную правду о себе самой.