Als Alita (Rosa Salazar) ohne jede Erinnerung daran, wer sie ist, in einer fremden Welt der Zukunft erwacht, wird sie von Ido (Christoph Waltz) aufgenommen. Der mitfühlende Arzt erkennt, dass sich hinter der leeren Cyborg-Hülle das Herz und die Seele einer jungen Frau mit einer außergewöhnlichen Vergangenheit verbergen. Während Alita lernt, sich in ihrem neuen Leben und den gefährlichen Straßen von Iron City zurechtzufinden, versucht Ido sie vor ihrer geheimnisvollen Vergangenheit zu beschützen. Ganz im Gegensatz zu ihrem neuen gerissenen Freund Hugo (Keean Johnson), der ihr dabei helfen will, ihre Erinnerungen zu triggern. Aber erst als die todbringenden und korrupten Mächte, die die Stadt beherrschen, Alita ins Visier nehmen, erhält sie einen Hinweis auf ihre Vergangenheit: Sie verfügt über einzigartige Kampfkünste, die die Herrschenden um jeden Preis kontrollieren wollen. Wenn es ihr gelingt, sich von ihnen fernzuhalten, könnte sie der Schlüssel sein, um ihre Freunde, ihre Familie und die Welt, die ihr ans Herz gewachsen ist, zu retten.