Όταν η Αλίτα (Ρόζα Σάλαζαρ) ξυπνά χωρίς να θυμάται ποια είναι σε έναν μελλοντικό κόσμο που δεν αναγνωρίζει, την περιμαζεύει ο Ίντο (Κριστόφ Βαλτς), ένας ευγενικός επιστήμονας που αντιλαμβάνεται ότι κάπου μέσα σε αυτό το ανθρωποειδές κρύβεται η καρδιά και η ψυχή μιας νεαρής γυναίκας με ξεχωριστό παρελθόν. Καθώς η Αλίτα μαθαίνει να περιπλανιέται στη νέα της ζωή και στους επικίνδυνους δρόμους της Άιρον Σίτι, ο Αΐντο προσπαθεί να την προφυλάξει από το αινιγματικό παρελθόν της, τη στιγμή που ο «περπατημένος» νέος της φίλος Χιούγκο (Κίαν Τζόνσον) είναι διατεθειμένος να τη βοηθήσει να ξυπνήσει τις μνήμες της.