Im Jahr 2563 ist die Erde geprägt von den Nachwirkungen eines katastrophalen Krieges. In den Ruinen der Stadt Iron City, sucht der Cyborg-Wissenschaftler Dr. Dyson (Christoph Waltz) immer wieder nach Ersatzteilen, um Menschen in Not aushelfen zu können. Eines Tages findet er den zerstörten Körper eines weiblichen Androiden, deren menschliches Gehirn jedoch völlig unversehrt zu sein scheint.
Dyson versorgt das Mädchen mit einem neuen Körper und nennt sie Alita (Rosa Salazar) nach seiner verstorbenen Tochter, da sie keine Erinnerungen an ihre Vergangenheit hat. Von nun an entdeckt sie die Welt mit Kinderaugen und trifft einen Jungen namens Hugo (Keean Johnson), den sie langsam aber sicher, immer mehr ins Herz schließt. Doch in der unscheinbaren Alita schlummern noch ganz andere Fähigkeiten, was eine Vielzahl potentieller Feinde auf den Plan ruft…