Rosa Salazar sebagai Alita, seorang siborg, dibongkarkan berumur 300 tahun dan yang terakhir daripada bangsanya.
Christoph Waltz sebagai Dr. Dyson Ido, seorang saintis dikenali ramai, Pahlawan-Pemburu dan penjaga Alita.
Jennifer Connelly sebagai Chiren, bekas isteri Ido yang diusir bersama juga anak perempuan mereka dari kayangan palsu Zalem dan mahu kembali ke sana.[9]
Mahershala Ali dan Edward Norton (tidak disenaraikan) sebagai Vector[10] dan Nova[11]: Vector ialah seorang usahawan yang mengajurkan perlawanan sayembara Motorball manakala Nova ialah seorang ilmuwan Zalem yang mempunyai kuasa untuk alih kesedarannya ke dalam sesiapapun, kadangkala hingga mengawal Vector dan Grewishka.
Ed Skrein as Zapan, a cyborg bounty hunter tasked with tracking down and killing Alita.
Jackie Earle Haley sebagai Grewishka, seorang siborg gergasi yang berkerja sebagai pembunuh upahan peribadi Nova, berdasarkan Grewcica daripada Battle Angel OVA.[12][13]
Keean Johnson sebagai Hugo, buah hati Alita yang mengajarnya cara main permainan ala-ala gladiator yang bernama Motorball.
Lana Condor sebagai Koyomi, seorang remaja yatim dan jurugambar berkerja bebas.
