本片根据同名漫画改编而成，故事设定在26世纪，那时科技已经可以重塑人类的大部分器官，不少人都换上了机械的身体。主人公艾德某天在垃圾堆里找到一个少女的机械残躯。艾德把她救活并将其命名为阿丽塔，但她已失去了以前的记忆。在一次偶然的机会下，艾德发现阿丽塔原来有着超强的战斗力，注定了她的使命就是要不停的战斗……

2045 年，世界陷入系统性的“持续战争”中，然而公众仍未意识到人类的存亡可能掌握在 AI 手里。在神秘的“新人类”出现后，全身义体化的少校草薙素子所在的公安九课作为雇佣兵登场。由于超级大国都试图把控局面，公安九课因此进行了重组。

2045 年，世界陷入系统性的“持续战争”中，然而公众仍未意识到人类的存亡可能掌握在 AI 手里。在神秘的“新人类”出现后，全身义体化的少校草薙素子所在的公安九课作为雇佣兵登场。由于超级大国都试图把控局面，公安九课因此进行了重组。

公元2030年，经历了4次世界大战的世界面临更严峻的挑战。随着人类义体化等科技的不断发展，犯罪行为也日渐离奇复杂。为了解决这类案件，日本内务省的直属部队——公安9课，这个对外不存在的特种部队，在队长草薙素子的带领下向恶势力发起制裁。而面对公安9课的，是高度发达的科技下创造的案件、权力政治斗争的阴谋、与以笑脸男为代表的Stand Alone Complex犯罪。

故事发生在遥远的26世纪，外科医生依德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。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