Flera århundraden in i framtiden hittas den övergivna Alita på ett skrotupplag i Iron City av cyberläkaren Ido, som tar med sig den medvetslösa Alita till sin klinik. När Alita vaknar upp har hon inget minne kvar om vem hon är eller vilken värld hon befinner sig i. Samtidigt som hon lär sig ta sig fram i sitt nya liv bland Iron Citys förrädiska gator, försöker Ido skydda Alita från hennes mystiska förflutna. Dessutom försöker hennes nyfunna vän Hugo hjälpa till med att återskapa hennes minnen. Alita upptäcker snart att hon har extraordinära stridskunskaper som hon kan använda sig av för att rädda vännerna och familjen som hon har kommit att älska. Bestämd att avslöja sanningen kring sitt ursprung, ger hon sig ut på en resa för att möta orättvisorna i denna mörka, korrupta värld och upptäcka att hon som ung kvinna kan förändra världen hon lever i.