在未来的26世纪，地球分为悬浮的天空之城札雷姆和地面的废铁城。废铁医生戴森·艾德（克里斯托弗·瓦尔兹饰）在垃圾堆中发现一个半机械少女的核心部件，将其修复并命名为阿丽塔（罗莎·萨拉查饰）。阿丽塔醒来后失去记忆，却对周围的一切充满好奇。她与街头少年雨果（基恩·约翰逊饰）结识，逐渐适应废铁城的生活，靠捕杀机械罪犯维克托（马赫沙拉·阿里饰）的手下赚取赏金。
某日，阿丽塔在战斗中触发潜藏的记忆，发现自己拥有超强的“机甲术”战斗技能。她被卷入废铁城的权力斗争，维克托与天空之城的代理人诺瓦暗中操控一切。艾德透露阿丽塔可能是古老的战斗天使，来自300年前的火星战争。雨果则梦想登上札雷姆，两人感情升温，却因各自的秘密渐生隔阂。
阿丽塔参加机动球大赛，试图赢得前往札雷姆的机会，却引来更强的敌人——改造人葛雷斯卡（杰基·厄尔·哈利饰）。她在赛场与废墟中奋战，逐渐揭开自己的身世。维克托的阴谋步步逼近，雨果的命运岌岌可危......
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