Als Alita (Rosa Salazar) ohne Erinnerung in einer zukünftigen Welt, die sie nicht kennt, erwacht, nimmt sie der mitfühlende Cyber-Mediziner Ido (Christoph Waltz) unter seine Fittiche. Er erkennt, dass tief im Inneren dieses verlassenen Cyborgs das Herz und die Seele einer jungen Frau mit einer außergewöhnlichen Geschichte schlummern. Allmählich findet sich Alita in ihrem neuen Leben zurecht und lernt, sich in den gefährlichen Straßen von Iron City zu bewegen. Ido versucht, sie vor ihrer mysteriösen Vergangenheit zu schützen, während ihr gewiefter neuer Freund Hugo (Keean Johnson) Alita anbietet, ihr bei der Suche nach ihrem alten Ich zu helfen.
Als die korrupten Kräfte der Stadt, angeführt von Vector (Mahershala Ali), beginnen, gegen Ido und Alita vorzugehen, entdeckt die junge Frau Hinweise auf ihr früheres Leben – und wird sich bewusst, dass sie übernatürliche Kampffähigkeiten besitzt. Diese auszuschalten, ist fortan das Ziel der Machthaber.