L'Anna Sasaki és una nena de dotze anys molt tímida que no té amics. La seva mare adoptiva l'envia a passar les vacances d'estiu a casa d'uns coneguts en un poble de la costa perquè millori de l'asma que pateix. Allà, coneix una misteriosa nena, la Marnie, que viu en una enorme mansió davant del mar. Entre totes dues creixerà una forta amistat que, en certs moments, sembla irreal.

Ido, un compassiu metge de cíborgs, troba Alita abandonada en el desballestament d'Iron City. Quan Alita desperta, no sap qui és, ni reconeix el món on es troba, tot és nou per a ella. Ido intentarà protegir Alita del seu misteriós passat, mentre que el seu nou amic Hugo l'ajudarà a despertar els records. En aquest moment, Alita descobreix que té habilitats de combat extraordinàries, que podria utilitzar per salvar la seva nova família i amics. Decidida a trobar la veritat després dels seus orígens, Alita comença un viatge que l'enfrontarà a les injustícies d'un món fosc i corrupte, descobrint que només pot canviar-la.