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。

改编自理查德·K·摩根所著的经典赛博朋克风格黑色小说，以 300 多年后的未来为背景，讲述了一个集合谋杀、爱、性和背叛的精彩故事。彼时社会已被一种新技术改变：意识可被数字化、人的身体可以互换、死亡不再是永恒的。武科瓦奇所在的精英星际战士队伍在反对世界新秩序的起义中败北，他成为了其中唯一幸存的士兵。武科瓦奇的大脑在寒冰中封存了数个世纪，直到后来超长寿富豪劳伦斯·班克罗夫特为他提供了一次重生的机会。作为交换，武科瓦奇必须调查一桩谋杀案，解开班克罗夫特本人被杀的谜团。