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。

故事发生在2045年，虚拟现实技术已经渗透到了人类生活的每一个角落。詹姆斯哈利迪（马克·里朗斯 Mark Rylance 饰）一手建造了名为“绿洲”的虚拟现实游戏世界，临终前，他宣布自己在游戏中设置了一个彩蛋，找到这枚彩蛋的人即可成为绿洲的继承人。要找到这枚彩蛋，必须先获得三把钥匙，而寻找钥匙的线索就隐藏在詹姆斯的过往之中。
韦德（泰尔·谢里丹 Tye Sheridan 饰）、艾奇（丽娜·维特 Lena Waithe 饰）、大东（森崎温 饰）和修（赵家正 饰）是游戏中的好友，和之后遇见的阿尔忒弥斯（奥利维亚·库克 Olivia Cooke 饰）一起，五人踏上了寻找彩蛋的征程。他们所要对抗的，是名为诺兰索伦托（本·门德尔森 Ben Mendelsohn 饰）的大资本家。