2563 год, триста лет со времён войны «Опустошения». В ходе катастрофической войны с Марсом Земля разорена, за исключением огромного летающего города Залема и поселения бедноты под ним — Айрон-Сити, прозванного также «Нижним миром».
Доктор Дайсон Идо в Нижнем мире находит на свалке мусора из Залема останки девушки-киборга. Доктор Идо даёт ей имя своей погибшей дочери — Алита и тело, которое ей же и предназначалось. Придя в сознание, Алита ничего не может вспомнить, но обнаруживает, что владеет боевыми приёмами киборгов, после чего начинает поиски утерянных воспоминаний.
Алита знакомится с молодым человеком Хьюго, который занимается поставкой различных запчастей доктору Идо. В городе действуют охотники за головами в лице боевых киборгов, преступники и представляющие Залем боевые роботы центурионы. В Нижнем городе запрещено огнестрельное оружие, чтобы не представлять угрозу Залему. Наказание за владение огнестрельным оружием — смерть.