События фильма разворачиваются в постапокалиптическом мире двадцать шестого века, где киборги являются обыденностью, натуральный человек диковинкой, а наделённые силой и властью охотятся за слабыми и беззащитными. Блуждая по свалке металлолома в поисках деталей для своих разработок доктор Дайсон Идо обнаруживает обломки киборга, единственной человеческой частью которого является мозг.
Ему удаётся вернуть мозг к жизни в новом теле и познакомиться с безобидной, на первый взгляд, девушкой Алитой. Алита не помнит ничего о своём прошлом, однако вскоре обоим становится очевидной, что в Алите скрываются огромный потенциал и бесценные знания и навыки. Три столетия назад мир был практически полностью уничтожен в ходе войны, в которой участвовали уникальные киборги с выдающимися способностями.
Несколько веков считалось, что все они были уничтожены в ходе боевых действий. Жаждущее глобального контроля правительство узнаёт, что одно из созданий уцелело и имя ему Алита. Когда-то давно на планету рухнул ангел, чтобы сейчас из того праха восстал воин, равных которому свет ещё не видывал. Боевой ангел Алита - последняя надежда человечества на выживание в мире, где людская жизнь не стоит ни гроша.
