そこはクズ鉄の町・アイアンシティ。天空に浮かぶ都市「ザレム」から廃棄されたゴミが堆積して山となっている。かつて300年前は激しい戦争が行われていた。ある日、サイバー医師・イド（クリストフ・ヴァルツ）はクズ鉄山からサイボーグ少女の頭部を見つける。持ち帰ったイドは、頭を機械の体に接続をし、「アリータ（ローサ・サラザール・声）」と名付ける。過去の記憶を失っていたアリータを、イドは自分の娘のように見守るが、ある日アリータは、突然の襲撃からイドを守ろうとして、自分の中に制御できないほどの戦闘能力が備わっていることに気づく。はたしてアリータは何者なのか･･･