Au 26ème siècle, le mécanicien Dr. Dyson Ido (Christoph Waltz) trouve la tête d'une femme cyborg et la reconstruit. La fille n'a aucun souvenir de sa vie jusqu'à présent. Il élève désormais Alita (Rosa Salazar) comme sa fille.

Lorsqu'Alita (Rosa Salazar) se réveille sans aucun souvenir de qui elle est, dans un futur qu'elle ne reconnaît pas, elle est accueillie par Ido (Christoph Waltz), un médecin qui comprend que quelque part, derrière ce corps de cyborg abandonné, se cache l'âme et le cœur d'une jeune femme au passé extraordinaire. Alors que Alita prend ses marques dans sa nouvelle vie et Iron City, et que Ido tente de la protéger de son passé mystérieux, son nouvel ami Hugo (Keean Johnson) propose à l'inverse de l'aider à recouvrer sa mémoire. Ce n'est que lorsque les forces dangereuses et corrompues qui gèrent la ville se lancent à sa poursuite qu'Alita découvre la clé de son passé - elle a des capacités de combat uniques. Ceux qui détiennent le pouvoir veulent absolument les maîtriser. Si elle réussit à leur échapper, elle pourrait sauver ses amis, sa famille, et le monde qu'elle a appris à aimer.