天坠战争后，世界暂时和平。但风平浪静之下，实则暗潮汹涌。

底层都市，一个金发男人在废铁场捡到了一个女机器人的头部。机器人头部是少女模样，并还有生命气息，于是被金发男人带回实验室修复。（高度还原了原作的场景，唯独金发男人的长下巴没了）

金发男人给了机器少女一副义体，手臂、躯干、腿脚全部都是机械构成的。机器少女一早醒来，看到自己焕然一新，感到十分好奇。

金发男人和她友好地攀谈，大概确定少女失忆，并给少女取名阿丽塔。随后，金发男人带着阿丽塔去屋外的街道上走动，了解周围的世界景状。

阿丽塔遇上了一个少年，少年阳光帅气，十分活泼，与她很快结成朋友。少年告诉阿丽塔死亡铁球赛对于这里的人非常重要，并带她观看了头顶上方高悬的大都市，说道只有死亡铁球赛的胜利者才能有机会进入大都市。（完全与好莱坞流水线作品一样，情节全部都能猜想到。但本片爱情元素比重太大，使得全片失衡）

然后，出现了一个赏金猎人，叫他鸡冠头吧。鸡冠头一副冷酷无情的样子，对阿丽塔露出了敌意。

另一边，金发男人与一个成熟女人见面。一番嘘寒问暖后，女人要他回去帮自己工作，但金发男人拒绝了。

夜晚，城市里发生了一起谋杀案。一名黑人女子的身体部件被抢走。紧接着，画面一转，来到金发男人的实验室。金发男人的影子映到墙上，仿佛是在切割尸体。（黑人依旧活不过三秒）

自然，凶手并不是金发男人。但金发男人在某天夜里跟踪一个女人，尾随了她一段路，走进了一个封闭的小巷。阿丽塔则亦步亦趋，偷偷摸摸地追了过来。

金发男人被三个改造人围住。原来，这三个改造人便是城市里多起杀害抢夺器官案的凶手。金发男人从身上掏出武器，一把像从岩浆里浸泡过的炽热的镰刀，与其中一名瘦小男子一番搏斗。金发男人不敌，轻易被击倒，正要被另一名女性改造人杀死之际，阿丽塔跳出，一拳击垮女性改造人。

阿丽塔又轻轻勾腿，一跃而起，用腿部向下劈斩，直接把瘦小的男性改造人打得报废。然后，三人中最强的大块头现出真容，是个面目狰狞的庞然大物。大块头说了非常多的狠话，但与阿丽塔只交碰几下，便被打得落荒而逃。期间，阿丽塔脑海闪过自己身穿战衣，与人并肩作战的画面。（伏笔比剧情好看，我的个人看法）

大块头逃到金发男人之前会面的女人的实验室，请求对方拯救自己。成熟女人同意，并对大块头进行了大刀阔斧地改造升级，将其打造成了拥有无坚不摧触手的怪兽。女人的上司，一个黑人便将其收为自己的手下。

阿丽塔这边，阿丽塔与少年的感情升温，少年带着她认识了一群好友。随后一行人来到一个湖泊，少年告诉阿丽塔湖泊里曾经掉落过飞行器。阿丽塔下水，进入飞行器，仿佛一切命中注定，阿丽塔得到了回忆中一闪而过的战衣。

阿丽塔要金发男人给她穿上战衣，但被金发男人以这是武器为由拒绝了。金发男人并不想看到阿丽塔沦为战斗机器。

阿丽塔与少年进入了死亡铁球赛的现场，见到了那些前仆后继、不要性命的参加球赛的改造人，感到一种向往。也许，阿丽塔血液里流淌着战斗的本能。

阿丽塔表示自己想成为一名赏金猎人。于是，被少年带着来到了赏金猎人聚集的酒馆。几十个赏金猎人宛如一群恶狼野兽，凶神恶煞地注视着看上去无比窈窕纤细的阿丽塔。

阿丽塔被一群赏金猎人嘲笑了一顿，其中包括在不久前见过的那个鸡冠头。鸡冠头甚至于想对阿丽塔动手，似乎已经把她当作了猎物。空气十分压抑，似乎一触即发。

突然，被经过改造加强后的大块头破门而入，杀气腾腾，他受黑人委派，前来抓捕阿丽塔。一下子，所有人都仿佛被扼住了咽喉。大块头杀人如麻，从胳膊里弹射出一根锋利的触手，直接插死了一名赏金猎人。阿丽塔眼见一条无辜的生命就这般逝去，体内的某种意识觉醒了。她口中念叨“要捍卫正义，要斩除邪恶的人”，大意如此。随后，将地上死去的人的鲜血抹在两边脸上，像是原始的部落里的条纹。

阿丽塔与强化后的大块头决一死战。大块头经过成熟女人的鬼斧神工地改造，如同脱胎换骨，实力突飞猛进。几下子，就用锋利如刀的触手将阿丽塔斩成几段。

阿丽塔再度回忆起自己遗忘的过去。在脑海的几个画面里，她被一个身穿同样战衣的女人教导着格斗，然后出现了一个蓝色的虚拟人光影，女人告诉她这是她们效忠的人。

阿丽塔的意识回到现实，对面大块头正步步紧逼。正在这时，金发男人闻讯赶到，利用武器大镰刀阻挡住了大块头，并将大块头一下砍翻。旋即，大块头再次逃遁，阿丽塔得救。

金发男人给阿丽塔修复了器官，并给她穿上了战衣。阿丽塔拥有战衣后，感到自己能力大幅提升，便信心满满地报名成为了一名赏金猎人。同时，她也参加了自己的第一场死亡铁球赛。

死亡铁球赛上，一众奇形怪状、穷凶极恶的改造人互相拼杀，不择手段，为了最终胜利争斗得你死我活。

但那群人小看的娇小玲珑的阿丽塔却爆发出了惊人的力量，将所有人全部都不费力地就给击败了，顺利赢下比赛。

另一边，少年却犯下杀人罪，被鸡冠头撞见。鸡冠头要以他是杀人凶手的名义将其逮捕。阿丽塔正回来，见到鸡冠头要杀少年，刚刚胜利的喜悦立马被扫得一干二净。

阿丽塔想制止鸡冠头，但少年仍旧被打穿了腹部，血流如注。少年的生命以肉眼可见的速度在阿丽塔面前流逝，阿丽塔感到分外心痛。但在鸡冠头的威胁下，阿丽塔不得已，想到了另一种方法救回少年。她将少年的头部斩下，装在一个包裹里。

鸡冠头知道她想要将少年变成改造人，于是想阻拦，但被阿丽塔直接一刀割下了整张脸孔。鸡冠头瞬间天崩地裂，惨烈哀嚎，不断着痛惜自己的脸。

阿丽塔带走少年头颅，交给金发男人。金发男人将其改造成改造人，重新复活。少年却无法面对自己的身体，他感到自己的世界崩塌了。他跑出了屋外。

阿丽塔追了出去，在通往悬浮在天空的大都市的通道上，见到了少年。少年神色抑郁，满目忧愁，在竖直的像一根擎天柱的通道上就像一片枯死的树叶掉了下去。阿丽塔赶紧去拉他，但扯断了机器胳膊，少年还是坠入了深渊。

少年死去，阿丽塔无比愤怒。她气势汹汹地找到了大块头，结合了战衣的阿丽塔战力暴增，轻易斩杀了大块头。随后她又赶到幕后主使，修复升级大块头的黑人的实验室，打翻了黑人。黑人却眼睛冒出蓝色荧光，然后被上帝附体一般，说自己暂时借用了这个人的身体，自己本体在大都市等着阿丽塔之类的话。

最后，阿丽塔为了通往大都市，再次迎战死亡铁球赛。