故事发生在遥远的26世纪，外科医生依德（克里斯托弗·瓦尔兹 Christoph Waltz 饰）在垃圾场里捡到了只剩下头部的机械少女将她带回家中，给她装上了本来为自己已故的女儿所准备的义体，并取名阿丽塔（罗莎·萨拉扎尔 Rosa Salazar 饰）。苏醒后的阿丽塔对这个五彩斑斓但却暴力而又残酷的世界产生了浓厚的兴趣，在结识了青年雨果（基恩·约翰逊 Keean Johnson 饰）后，阿丽塔开始接触名为机动球的运动，并在比赛中展现出了惊人的格斗天赋。
在废铁城居民们的头顶，漂浮着巨大的浮空城市撒冷，废铁城居民们的一切劳作和付出，都是为了给撒冷提供继续运作的燃料。在大财阀维克特（马赫沙拉·阿里 Mahershala Ali 饰）所设立的机动球比赛中，最终获得冠军的人能够获得前往撒冷生活的资格，阿丽塔决定利用自己的格斗天赋参加比赛，却被卷入了一个巨大的阴谋之中。

废铁城中一位叫艾德的医生，有天在垃圾山上找到一个少女的机械残躯。原来她的脑袋还保持著假死的状态，艾德成功把她救活并为她改名为凯丽，但她已失去了以前的记忆。艾德除了是医生外，原来也是奖金猎人。在缉捕犯人的战斗他清楚知道废铁城的黑暗，所以他希望凯丽能像个普通女孩子般过著幸福 的生活。但在一次偶然的机会下，发现凯丽原来懂得已失传的火星古武术「机甲术」。

虽然记忆失去，但她身体流著战斗的血，令她不理艾德的反对而登记成为奖金猎人。凯丽的本性其实是很善良的，但她的自傲和好胜为她带来不少麻烦。加上她优秀的机甲术技巧，强大的战斗力为她注定了要不停战斗的命运。