26世纪，废铁城上空悬浮着那座名为撒冷的天空之城，而地面上的居民不过是为它输送燃料的耗材。外科医生依德在垃圾场捡回一具残缺的机械少女，用为亡女准备的义体为她重塑身躯，取名阿丽塔。苏醒后，她对这个世界充满好奇，却在街头遭遇追杀，体内潜藏的古老战斗本能随之觉醒。结识青年雨果后，她闯入名为机动球的死亡竞技场——只有冠军才能获得前往撒冷的资格。但赛事背后，财阀维克特的阴谋正缓缓收网。她不知道自己是谁，也不知道自己的身体里藏着足以颠覆两座城市的秘密。而她越是接近真相，就越是发现，自己从一开始就不是这场棋局中的棋子。