故事发生在遥远的26世纪，外科医生依德在垃圾场里捡到了只剩下头部的机械少女阿丽塔，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。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。在大财阀维克特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。

根据日本漫画家木城雪户的漫画《铳梦》改编，讲述了身处末世，幸运重生的机械女孩为了改变世界而勇敢奋斗、踏上探索真相旅程的故事。