故事发生在遥远的26世纪,外科医生依德(克里斯托弗·瓦尔兹 Christoph Waltz 饰)在垃圾场里捡到了只剩下头部的机械少女将她带回家中,给她装上了本来为自己已故的女儿所准备的义体,并取名阿丽塔(罗莎·萨拉扎尔 Rosa Salazar 饰)。苏醒后的阿丽塔对这个五彩斑斓但却暴力而又残酷的世界产生了浓厚的兴趣,在结识了青年雨果(基恩·约翰逊 Keean Johnson 饰)后,阿丽塔开始接触名为机动球的运动,并在比赛中展现出了惊人的格斗天赋。 在废铁城居民们的头顶,漂浮着巨大的浮空城市撒冷,废铁城居民们的一切劳作和付出,都是为了给撒冷提供继续运作的燃料。在大财阀维克特(马赫沙拉·阿里 Mahershala Ali 饰)所设立的机动球比赛中,最终获得冠军的人能够获得前往撒冷生活的资格,阿丽塔决定利用自己的格斗天赋参加比赛,却被卷入了一个巨大的阴谋之中。
11岁男孩西里尔(托马斯•多雷 Thomas Doret 饰)被送到了儿童福利院,他的父亲盖伊(杰瑞米•雷乃 Jérémie Renier 饰)不辞而别。西里尔迫切地希望与父亲见面,于是千方百计逃脱学监的看管,并引发了争执。他来到了父亲之前租住的房屋吃了闭门羹,还遭到了邻居的驱逐。他被学监带回了福利院,却开始寻找当时父亲买给他的单车。后来,好心的理发师萨曼莎(西西•迪•法兰丝 Cécile De France 饰)帮助西里尔买回了那辆已经被盖伊出售的单车。他骑着单车,继续寻找父亲。萨曼莎动了恻隐之心,帮她联系了盖伊。父子终于再度重逢,原来西里尔的母亲离家出走之后,盖伊深感无力扶养西里尔,为了在自己的料理店开始新生活,他希望萨曼莎帮人帮到底,照顾西里尔。然而,西里尔感受到被盖伊遗弃的痛苦,拼命地保护着单车,甚至为此结识了一群未成年毒贩,游走在犯罪的边缘……