Kaukaisessa tulevaisuudessa kyberneetikko Ido, löytää Iron Cityn kaatopaikalta Alitan, tajuttoman ja hylätyn kyborgin. Herätessään Idon klinikalta Alita ei muista kuka hän on eikä hän myöskään tiedä, millaisessa maailmassa elää. Kaikki on Alitalle uutta ja hän opettelee luovimaan uudessa elämässään vaarallisessa Iron Cityssä. Ido yrittää suojella Alitaa tämän salaperäiseltä menneisyydeltä, kun taas uusi ystävä Hugo sitä vastoin tarjoutuu auttamaan Alitaa muistojen palauttamisessa. Tunteet Alitan ja Hugon välillä kasvavat ja kehittyvät, mutta kuolettavat voimat uhkaavat Alitaa ja suhdetta. Alitalle valkenee, että hänellä on erityisiä taisteluvoimia, joita hän voi käyttää pelastaakseen ystävänsä ja perheensä, joita hän on oppinut rakastamaan. Alitan selvittäessä totuutta alkuperästään, hän päätyy matkalle pimeään ja korruptoituneeseen maailmaan, jossa hän joutuu taistelemaan epäoikeudenmukaisuutta vastaan. Samalla hänelle selviää, että hänellä on kyky muuttaa maailmaa, jossa elää.