阿丽塔（罗莎·萨拉扎尔 饰）醒来发现既不记得自己是谁，也不认识这个未来世界。善良的医生依德（克里斯托夫·沃尔兹 饰）收留了阿丽塔，因为他意识到在这被遗弃的机器人外壳下，潜藏着一个有着非凡的心灵。当阿丽塔逐步适应她的新生活和钢铁城的街头险恶时，依德想试图让她远离她那神秘的过往，但她的街头朋友雨果（基恩·约翰逊 饰）则试图帮她唤起回忆。城市腐败统治者对阿丽塔展开了追捕，她却因此发现了有关过去的线索——她具有独特而强大的战斗能力。若她能够逃离他们的控制，她就能成为拯救她的朋友，家人和她所爱世界的关键。