Действие разворачивается в XXVI веке, спустя три столетия после разрушительной войны, которая разделила человечество на две части: нищих обитателей «Железного города» и элиту «Небесного города». Доктор Дай Идо, талантливый механик и создатель киборгов, находит в свалке останки женского киборга и, починив его, даёт ему имя Алита.
Главный герой фильма — майор американских ВВС Фрэнк Кросс, который после успешного выполнения ряда сложных заданий получает одно из самых ответственных назначений в своей карьере: он становится военным помощником президента США и получает под свою ответственность специальный кейс с кодами запуска всего ядерного арсенала страны.