Pada tahun 2563, sebuah perang yang dikenali sebagai "The Fall"—Kejatuhan jika mengikut sari kata pawagam— telah membinasakan Bumi. Semasa Dr. Dyson Ido, seorang saintis siborg, sedang memeriksa sebuah pusat pembuangan sampah raya Iron City, beliau terjumpa sebuah kepala siborg perempuan yang masih elok dengan teras (otak) yang masih berfungsi. Dr. Ido pun berhasrat untuk membina semula siborg tersebut, namun ia tidak ingat siapa dirinya dahulu. Maka Dr. Ido menamakannya "Alita"—sempena nama anak perempuan beliau yang dibunuh seorang siborg amuk dahulu—dan menjadi penjaganya.

Alita mula berkawan dengan seorang remaja lelaki bernama Hugo, yang ingin hidup di Zalem, sebuah kota langit untuk golongan atasan yang terapung di atas pusat pembuangan tadi. Hugo perkenalkan Alita kepada Motorball, sebuah sukan perlumbaan di mana siborg-siborg bersaing sehingga maut.

Alita dapat tahu yang Dr. Ido ialah seorang Pahlawan-Pemburu—atau "Hunter-Warrior" (pemburu upahan)—semasa dia mengekori bapanya pada suatu malam dan bertemu tiga pembunuh siborg yang diketuai Grewishka. Apabila Ido tercedera, Alita mengikut gerak hatinya dan menyerang ketiga-tiga siborg tadi, juga membunuh dua daripada mereka dan mencederakan Grewishka dengan parah sebelum ia sempat melarikan diri ke bawah tanah. Walaupun Alita temu kembali kesedaran dalam seni pertahankan diri kuno bernama "Panzer Kunst", Ido tidak membenarkan dia untuk jadi seorang Pahlawan-Pemburu. Keesokan harinya, Alita terjumpa dan bawa pulang sebuah jasad Berserker (sejenis tubuh untuk siborg-siborg) dari sebuah kapal URM (Republik Bersatu Marikh) yang karam di luar bandar. Ido menolak kemahuan dia untuk dicantumkan dengan jasad tersebut, kerana takut apa yang akan berlaku jika dia serasi dengan jasad itu tadi; kerana kapal itu milik pihak musuh dalam perang dahulu yang telah menghancurkan kota-kota langit yang lain, dan ini membongkarkan bahawa Alita dahulu berasal dari pihak musuh.

Geram dengan Ido, Alita pergi daftar dirinya sebagai seorang Pahlawan-Pemburu. Suatu malam, dia dan Hugo masuk ke Kansas Bar untuk minta bantuan daripada anggota Pahlawan-Pemburu yang lain dalam usahanya untuk memberkas Grewishka, namun Alita diperkecilkan oleh seorang Pahlawan-Pemburu berpedang bernama Zapan dan lalu dia membelasahnya. Akhirnya mereka menolak seruannya kerana Grewishka bukan di senarai penjenayah dan tiada ganjaran jika menangkap dia. Tiba-tiba, Grewishka dengan jasad yang lebih perkasa masuk ke bar dan cabar Alita untuk lawan semula, dan mendedahkan bahawa dia telah diutus oleh bosnya, Nova, untuk hapuskan Alita. Walaupun mempunyai keberanian dan kemahiran, jasad Alita dikerat-kerat jari-jari Grewishka yang dilengkapi bilah dan menyebabkan Alita kudung kaki dan selengan, tinggal lengan kirinya. Grewishka menghinanya, lalu Alita menusuk satu-satunya lengan yang dia ada tepat pada mata Grewishka dan membutakan dia. Akhirnya Ido, Hugo, dan seorang Pahlawan-Pemburu sampai dan mengusir Grewishka. Ido alihkan Alita ke dalam jasad Berserker tadi, yang sejurus sahaja disambung serasi dengan sistem Alita.

Kerana cinta kepada Hugo, Alita sertai ujian saringan Motorball untuk hantar Hugo ke Zalem. Ido mula perasan bahawa peserta-peserta yang lain ialah Pahlawan-Pemburu dan siborg-siborg dikehendaki, diupah oleh Vector, penganjur dan ketua sayembara Motorball, untuk bunuh Alita. Ido beritahu Alita tentang itu dan apabila perlumbaan berlangsung Alita berjaya menewaskan ramai peserta dengan kehandalannya. Sementara itu, Hugo sedang diburu Zapan selepas menganiaya Hugo atas tuduhan membunuh seorang siborg. Hugo menelefon Alita untuk bantuan dan supaya bertemu di depan gereja lama, kemudian Alita menyimpang dari perlumbaan untuk selamatkan dia. Alita akhirnya jumpa Hugo di perkarangan gereja tetapi bertentang muka dengan Zapan yang mendedahkan bahawa Hugo telah menyerang ramai siborg dan mencuri anggota badan mereka untuk dijual kepada Vector untuk digunakan dalam sayembara Motorballnya. Sesedar yang Alita sebenarnya jatuh cinta terhadap Hugo, Zapan menikam perut Hugo dan berkata kepada Alita bahawa Peraturan Etika Pahlawan-Pemburu menyatakan yang dia kena membunuh Hugo atau biarkan Zapan sahaja lakukan ia. Chiren, bekas isteri Ido, dapat menyelamatkan Hugo dengan menyambungkan saraf kepala dia dengan jantung Alita. Zapan perasan muslihat dia dan cuba untuk hentikan Alita daripada beredar dari tempat tersebut, lalu Alita potong wajahnya dengan pedang Zapan sendiri.

Ido alihkan kepala Hugo ke sebuah jasad siborg sebelum memaklumkan Alita yang apa Hugo buat adalah kerana berita palsu yang dia dapat bayar dirinya untuk naik ke Zalem. Ido yakin bahawa ini hanyalah tipu daya Vector, dan bahawa warga Iron City takkan sekali-kali dapat jejak Zalem. Alita berputus untuk menghadap Vector, yang mindanya dikawal Nova, seorang ilmuwan Zalem yang berkuasa. Menerusi Vector sebagai boneka, Nova tunjuk kepada Alita yang Chiren telah dikaut organ-organnya lalu menyuruh Grewishka untuk bunuh Alita. Alita pun bertarung dengan Grewishka lagi sekali kemudian menikam Vector, mengatakan bahawa Nova silap kerana memandang rendah terhadapnya.

Ido memberitahu Alita yang Hugo telah larikan diri dan sedang memanjat sebatang saluran kilang ke Zalem. Alita merayu kepada Hugo untuk pulang bersamanya, tetapi tiba-tiba, sebentuk gegelung berbilah diturunkan oleh Nova, turun saluran tersebut dan merobek-robek dan memerlantingkan Hugo ke udara. Alita lantas menerpa dan berjaya menangkap tangan yang masih tercantum dengan Hugo, dan menggunakan pedangnya untuk bergantung pada saluran tadi. Sendi siku Hugo sudahpun mula putus dan dia jatuh ke bumi, rebah tanpa dapat sampaikan kata-kata terakhirnya.

Beberapa bulan kemudian, Alita kini ialah olahragawati ternama sayembara Motorball. Sambil para penonton bersorak namanya, Alita menghunus pedangnya dan menghalakan ia ke Zalem sementara Nova memerhatinya dari atas.