Cyborgen Alita vågner op i en fremtidsverden, hun ikke kender, og uden hukommelse om, hvem hun er. Den sympatiske professor Ido tager den unge Alita under sin vinge. Som den eneste ser han, at under hendes maskinelle cyborg-skal gemmer sig sjælen af en ung kvinde med en enestående fortid. I takt med at Alita begynder at falde til i den farlige og futuristiske Iron City, prøver Ido at skærme hende fra hendes mystiske fortid. Men Alitas nyfundne storbyven, Hugo, tilbyder i stedet at hjælpe med at vække Alitas hukommelse. Da byens korrupte og dødbringende magter kommer efter hende, opdager Alita sine uovertrufne kampevner, som magthaverne ønsker at kontrollere. Hvis Alita kan holde sine fjender på afstand, kan hun være nøglen til at redde sine venner, familie og den verden som hun har lært at elske.