故事发生在遥远的26世纪，外科医生依德（克里斯托弗·瓦尔兹ChristophWaltz饰）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（罗莎·萨拉扎尔RosaSalazar饰）。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（基恩·约翰逊KeeanJohnson饰）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（马赫沙拉·阿里MahershalaAli饰）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的格斗天赋参加比赛，却被卷入了一个巨大的阴谋之中。

身怀绝技的弯刀（丹尼·特乔DannyTrejo饰）在追查犯罪组织卡特尔的行动中，其女友兼搭档ICE特工莎塔娜（杰西卡·阿尔芭JessicaAlba饰）不慎遇害，弯刀也被作为杀人凶手判处绞刑。关键时刻，美国总统秘密将其招至华府，命弯刀前往美国和墨西哥的边界，调查革命武装组织头目马科斯·门德斯革命者（德米安·比齐尔DemiánBichir饰）是否有袭击美国的打算，一旦证据确凿即可将其抹杀。弯刀率先与圣·安东尼奥小姐（艾梅柏·希尔德AmberHeard饰）接洽，随后潜入墨西哥见到门德斯。此时的门德斯仿佛已经人格分裂，他将导弹的控制系统与自己的心脏相连，一旦遇害导弹便自动飞向美国华府，而他的人头又高达千万美金，以至于弯刀被迫担负起保护门德斯性命的任务。返回美国的道路杀机四伏，凶险非常，更有意想不到的阴谋等待着他……