故事发生在遥远的26世纪。外科医生埃德在垃圾场捡到了一个只剩下头的机械女孩，并把她带回家。他为她已故的女儿安装了假肢，并给她取名为阿丽塔。觉醒后的阿丽塔对这个多姿多彩却又暴力残酷的世界产生了兴趣。在认识了年轻的尤戈后，阿丽塔被介绍到了一项名为“机械球”的运动，并在比赛中展现了惊人的格斗天赋。在废铁城居民的上方，塞勒姆巨大的天空之城悬浮在空中，废铁城的居民们努力为塞勒姆的持续运转提供燃料。由大富豪维克多主持的摩托艇比赛的最终获胜者有资格住在塞勒姆。阿丽塔决定利用自己的格斗天赋参加比赛，却意外卷入了一场巨大的阴谋。