El argumento de esta aventura épica de esperanza y empoderamiento sigue a Alita (Salazar), una joven que se despierta sin recordar quién es en un mundo futuro que no reconoce. Ido (Waltz), un médico compasivo, se da cuenta de que en algún lugar de ese caparazón de cyborg abandonado, está el corazón y alma de una mujer joven con un pasado extraordinario.
 
Mientras Alita toma las riendas de su nueva vida y aprende a adaptarse a las peligrosas calles de Iron City, Ido tratará de protegerla de su propio pasado, mientras que su nuevo amigo Hugo (Johnson) se ofrecerá, en cambio, a ayudarla a desenterrar sus recuerdos.
 
Cuando las fuerzas mortales y corruptas que manejan la ciudad comienzan a perseguir a Alita, ella descubre una pista crucial sobre su pasado: Posee habilidades de combate únicas que los que ostentan el poder querrán controlar a toda costa. Sólo manteniéndose fuera de su alcance, podrá salvar a sus amigos, a su familia y el mundo que ha aprendido a amar...