Die Geschichte ist in einer fernen Zukunft angesiedelt und erzählt vom Cyborg Alita (Rosa Salazar), die bewusstlos auf einem Schrottplatz in Iron City vom einfühlsamen Cyber-Arzt Ido (Christoph Waltz) gefunden wird. Er nimmt die Cyborg mit in seine Klinik und als Alita zu sich kommt, hat sie keinerlei Erinnerung daran, wer sie ist, noch kann sie irgendetwas wiedererkennen in der Welt, in der sie erwacht ist. Für Alita ist alles neu, sie erlebt alles zum ersten Mal und sie lernt, sich in ihrem neuen Leben und den gefährlichen Straßen von Iron City zurecht zu finden. Während Ido auf der einen Seite versucht, Alita vor ihrer mysteriösen Vergangenheit zu schützen, unterstützt sie auf der anderen Seite ihr neuer, smarter Freund Hugo (Keean Johnson) dabei, ihre Erinnerungen wachzurufen. Zwischen Hugo und Alita entwickelt sich eine wachsende Zuneigung, bis dunkle Mächte Alita verfolgen und ihre neu gefundenen Freundschaften bedrohen. Dabei entdeckt Alita, dass sie über außergewöhnliche Kampffähigkeiten verfügt, die es ihr ermöglichen könnten, die Menschen, denen sie sich nahe fühlt und die sie liebt, zu beschützen.