Lorsqu'Alita se réveille sans aucun souvenir de qui elle est, dans un monde qu'elle ne reconnaît pas, elle est accueillie par Ido, un médecin qui comprend que derrière ce corps de cyborg abandonné, se cache une jeune femme au passé extraordinaire. Ce n'est que lorsque les forces dangereuses et corrompues qui gèrent la ville d'Iron City se lancent à sa poursuite qu'Alita découvre la clé de son passé : elle a des capacités de combat uniques, que ceux qui détiennent le pouvoir veulent absolument maîtriser. Si elle réussit à leur échapper, elle pourrait sauver ses amis, sa famille, et le monde qu'elle a appris à aimer...