Situada varios siglos en el futuro, la abandonada cíborg Alita (Rosa Salazar) es encontrada en el vertedero de Iron City por Ido (Christoph Waltz), un ciber-doctor compasivo quien se la lleva inconsciente a su clínica. Cuando Alita se despierta no tiene recuerdo alguno de quien es, y ni siquiera reconoce el mundo en el que se encuentra. Conforme aprende a navegar a través de su nueva vida y por las calles traicioneras de Iron City, Ido intenta proteger a Alita de su pasado misterioso, mientras que, su nuevo amigo Hugo (Keean Johnson), un hombre de calle astuto, ofrece ayudarla a desencadenar sus recuerdos. Un cariño se desarrolla entre los dos hasta que fuerzas mortíferas van tras Alita y amenazan a sus nuevas amistades. Es entonces que descubre que tiene habilidades de pelea extraordinarias que podrían ser utilizadas para salvar a los amigos y familia que ha llegado a querer. Determinada a descubrir la verdad detrás de sus orígenes, Alita emprende un viaje que la llevará a enfrentarse a las injusticias de este mundo.
