《终结者2：审判日》发生的27年后，由于未来天网派来T-800成功杀死年幼的约翰，以致令未来产生变化，一个全新进化的液态金属终结者从未来派出，目的是追杀持有关键讯息的丹妮·拉莫斯、半生化人葛蕾丝和她的朋友。这使莎拉·康纳以及成功杀死约翰的T800终结者前来帮助她们一行人，以共同为了人类的未来而战。

1999年的东京，一部军用的机械人在无人的情况自动启动、一个名为帆场瑛一的篠原重工天才程序员自杀；谁也没想到，两起无关事件却会在将来把东京带入恐怖中。从建筑施工现场到人们的日常生活，处处都可以见到一种被称为“Labor”的大型机器人。面对Labor相关犯罪与日俱增的局面，警察局成立了特殊车辆二课，配备专门机器人PatLabor，负责处理特殊事务。Labor到了更新换代的时期，作为机器人大脑的电脑操作系统升级为HOS。正在这时，突然发生多起机器人失控事件，机动警察小队负责调查此事。他们发现这是由与HOS有关的电脑病毒所导致的，而肇事者已经销毁了所有资料行踪不明。在东京湾，制造巨型海上方舟以解决东京土地问题的巴比伦计划已经到了关键时刻，那里集结了全国45%的Labor机器人，这些机器人一旦失控后果将不堪设想……
本片为TV动画《机动警察》的剧场版。

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。