2563 год, триста лет со времён войны «Опустошения», оставившую Землю

опустошенной, за исключением огромного летающего города Салема и поселения отребья под ним, прозванного «Нижним миром».

Доктор Идо в нижнем мире находит на свалкемусора

из Салема останки девушки-киборга

. Придя в сознание, та ничего не может вспомнить, но обнаруживает, что владеет боевыми приёмами киборгов, после чего начинает поиски утерянных воспоминаний. Доктор Идо даёт ей имя Алита и тело, которое предназначалось его погибшей юной дочери. Жена доктора Идо, доктор Кирен, не разделяет подобного энтузиазма и считает, что тем самым Идо пытается создать замену дочери. Сама Кирен рассталась с Идо и теперь работает на продюсера местных гладиаторских робогонок (моторбола) Вектора, обещающего в обмен за усердный труд вернуть её в верхний город Салем. Параллельно Вектор иногда выполняет функции тела для некого обитателя Салема Новы, который благодарянейроимпланту

может овладевать его телом (в этот момент глаза Вектора становятся голубыми) и непосредственно общаться с горожанами.

Алита знакомится с молодым человеком Хьюго, который втайне от неё участвует в нападениях на киборгов и разбирает их тела, впрочем не убивая. Юноша поставляет эти запчасти Вектору и доктору Идо. В городе действуютохотники за головами

в лице боевых киборгов, преступники и представляющие Салем боевые роботы центурионы. В нижнем городе запрещено огнестрельное оружие, чтобы упростить работу центурионам и другим представителям Салема. Наказание за владение огнестрельным оружием — смерть.

Алита из сообщений местных СМИ узнаёт, что в городе появился убийца, который убил несколько женщин. Она начинает подозревать Идо, однажды вернувшегося с окровавленной рукой, после чего начинает за ним следить. Но в следующую ночь она узнаёт, что доктор является лицензированным охотником. В ходе схватки своего создателя с тремя преступными киборгами она убивает двух из них, дозволив скрыться обещающему отомстить Гревишу. Во время схватки Алита вспоминает, что когда-то она в скафандре тренировалась боевым искусствам наЛуне

. Идо рассказывает ей, что стал охотником, потому что киборг-наркоман убил его дочь-инвалида, для которой он и создал тело Алиты.

Хьюго, встречаясь с Алитой, показывает ей различные знаковые места нижнего города, знакомит её со вкусом шоколада, проводит на матч моторбола, от которого Алита в восторге. После матча выясняется, что команда Хьюго доставляет Вектору понравившееся оружие победителей, которые лишаются и связанных с ним конечностей. Хьюго идёт с Алитой за город и показывает сбитый космический корабль сил СРМ (Соединённые республикиМарса

), которые некогда вступили в битву с Салемом и Землей. В космическом корабле Алита находит кибернетическое тело той же модели, в котором она когда-то функционировала. Это тело благодаря утраченнымнанотехнологиям

значительно более совершенно её нынешнего.

Алита просит доктора Идо подключить её к этому телу, но он не хочет её развития в качестве бойца, хоть она и была создана для этих целей. Алита с ним ссорится и узнаёт, что ей как минимум 300 лет, а в груди у неё бьётся сердце на основе утраченных технологий с питанием от ядерных элементов,способное запитать целый Нижний мир. Тем временем Гревиш проходит апгрейд в мастерских Вектора с помощью доктора Кирен и получает вылетающие цепи-резаки, добытые ранее людьми Хьюго.

После ссоры Алита идёт в полицейское представительство Салема в Нижнем городе и получает лицензию охотника. Вместе с Хьюго она посещает бар для киборгов-охотников и произносит пламенную речь, направленную на борьбу с Гревишем (благодаря покровительству сверху на него не объявляется награда, из-за чего охотники не могут его трогать). Алита задирает охотников, насмехается над нарциссизмом охотника Запана, который очень вкладывается в красоту своего лица. Он владеет мечом с утраченными технологиями. Запан пытается побить Алиту, но терпит унизительное убедительное поражение перед глазами других охотников. Начинается массовая драка, в которой Хьюго смог помочь Алите избежать удара сзади.

Схватку останавливает Идо, пригрозивший никому больше не помогать с бесплатными ремонтами. Вскоре появляется Гревиш с целью выполнить приказ Вектора - привести Алиту живой или мёртвой. Никто из охотников не желает вступать в бой с киборгом, который для демонстрации своего апгрейда немедленно убивает одного из их соратников, а затем – взлаявшую на него собачку. Алита кровью убитой собаки наносит на лицо боевую раскраску в виде полос под глазами, после чего бой начинается.

В ходе него Гревиш успевает разрезать тело Алиты на куски, оставив ей одну руку. Алиту посещает видение из прошлого, в котором её коллега-наставница учит сражаться до конца. Насмехающийся Гревиш берёт девушку за волосы и подносит к лицу, но Алита оставшейся рукой выбивает ему глаз. На помощь Алите приходят киборг-охотник-кинолог

скибернетическими

псами, Хьюго и Идо, после чего Гревиш спасается бегством.

Идо приносит голову Алиты с остатками тела в свою лабораторию и подключает к боевому телу. Находясь без сознания, Алита применяет тысячи микронастроек на новом теле. Визуально теперь её лицо выглядит старше. Придя в себя, она обнаруживает, что это тело значительно превосходит предыдущее по быстродействию и гибкости. Вместе с доктором Идо они обнаруживают, что новое тело может вырабатывать плазму голубого цвета, но также доктор Идо предполагает, что её потенциально можно использовать как оружие. У Алиты в новом теле развиваются романтические отношения с Хьюго. Тот, по желанию Вектора, уговаривает её попробовать свои силы в моторболе. В моторболе против Алиты выставляют команду наёмников и убийц, целью которых является вовсе не игра, а убийство Алиты.

Тем временем Хьюго идёт на встречу со своими друзьями, которым объявляет об уходе из этого бизнеса. Неожиданно Запан убивает разбиравшегося на запчасти киборга и сваливает вину на Хьюго, что даёт ему законное право на его убийство. Один из друзей Хьюго жертвует жизнью, а раненый Хьюго пускается в бегство и связывается с Алитой с просьбой помочь. Девушка, благодаря предвидевшему истинные цели её соперников по моторболу Идо, к тому времени расправилась уже почти со всеми противниками, но, услышав просьбу о помощи, пробивает стену моторбола и спешит на помощь, по дороге добивая преследующих её оставшихся «спортсменов». Прибыв к храму, она ненадолго опережает Запана, перехватив Хьюго. Охотник заявляет о пребывании Хьюго в розыске и обвиняет его в незаконном бизнесе по краже и продаже конечностей киборгов. Хьюго признаётся во всём, кроме убийства, и пока Алита решает, что делать, Запан, недовольный её нерешительностью, протыкает его мечом. Алита уносит Хьюго в храм, где они говорят о чувствах. Кирен слышит их, у неё пробуждается жалость, и она решает помочь в меру своих сил как конструктор киборгов.

Алита выходит из храма, неся с собой отрубленную голову Хьюго. Центурионы присуждают ей награду за поимку преступника, однако Запан успевает заметить, что голова Хьюго прицеплена к сердцу Алиты, поддерживающему в нём жизнь. Охотник хватает девушку за руку, что центурионы трактуют попыткой отобрать награду, дающуюправо на оборону

. Алита отбирает меч у Запана и отрубает ему лицо. Кирен возвращается к Вектору, который уже знает, что она помогла Алите. Идо прицепляет голову Хьюго к кибертелу и говорит, что когда-то сам жил в Салеме, но вынужден был спуститься вниз, так как наверху легального способа помочь его дочери справиться с болезнью не было. Он говорит, что Вектор обманывал Хьюго и человек Нижнего мира не может попасть в Верхний. Также он упоминает Нову, и Алита вспоминает свою миссию по её убийству, отправляясь к Вектору. В новом костюме и с мечом Запана она легко уничтожает всех центурионов, которые встали у неё на пути. Вектор говорит ей, что в Салем попасть всё-таки возможно, показывая органы Кирен, готовые к отправке вверх. В это время на Алиту нападает Гревиш, но, усилив клинок Запана своей плазмой, она легко перерубает когти и тело киборга. Поговорив со вселившимся в тело Вектора Новой, она говорит, что тот совершил ошибку, недооценив её.

Вернувшись к Идо, она узнаёт, что Хьюго решил забраться в Салем по одной из труб-канатов, ведущих в него. Догнав Хьюго, она умоляет его остаться с ней в Нижнем мире, зная об охранной системе каната, однако Нова активизирует систему, и, несмотря на все попытки его спасти, поврежденный Хьюго падает с огромной высоты, к горю Алиты.

Проходит 2 месяца. Алита становится чемпионкой моторбола, что даёт ей право легально пробраться в Салем, и она поднимает меч вверх, глядя на Салем, с края которого на неё с ухмылкой смотрит Нова.