Die Erde in der fernen Zukunft: Dr. Dyson Ido (Christoph Waltz) lebt und arbeitet in der gefährlichen Stadt Iron City. Eines Tages findet er auf dem Schrottplatz den Kopf eines weiblichen Cyborgs. Er baut in seiner Werkstatt einen dazu passenden Körper und es gelingt ihm, das Roboter-Mädchen wieder zum Leben zu erwecken. Alita (Rosa Salazar) kann sich nicht an ihr vorheriges Leben erinnern und Ido will eigentlich auch, dass das so bleibt, damit seine Ziehtochter ein ruhiges Leben führen kann. Doch mit Hilfe ihres neuen Freundes Hugo (Keean Johnson) kommt Alita ihrer Vergangenheit nach und nach auf die Spur. Zugleich beginnt der Gangsterboss Vector (Mahershala Ali), Jagd auf die Androidin zu machen, denn er möchte sich ihre erstaunlichen Kampffähigkeiten zu Nutze machen...