Ido (Christoph Waltz), un compasivo médico de ciborgs, encuentra a Alita (Rosa Salazar) abandonada en el desguace de Iron City y traslada a la ciborg inconsciente a su clínica. Cuando Alita despierta, no sabe quién es, ni reconoce el mundo en el que se encuentra, todo es nuevo para ella.
Alita tiene que aprender cómo manejarse en su nueva vida en las traicioneras calles de Iron City. Ido intentará proteger a Alita de su misterioso pasado, mientras que su nuevo amigo Hugo (Keean Johnson) le ayudará a despertar sus recuerdos.
Entre los dos surge una creciente atracción hasta que oscuras fuerzas comienzan a perseguir a Alita y amenazan a sus nuevos amigos. En ese momento, Alita descubre que posee habilidades de combate extraordinarias, que podría usar para salvar a su nueva familia y amigos.
Decidida a descubrir la verdad tras sus orígenes, Alita comienza un viaje que le enfrentará a las injusticias de un mundo oscuro y corrupto, descubriendo que solo ella puede cambiar el mundo en el que vive.
