本片发生在26世纪，是一部动作冒险题材的科幻电影。故事主要围绕着一个叫做依德（克里斯托弗·瓦尔兹饰）的外科医生展开，他得到了一个只剩下头部的机械少女，将她带回家中，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。在救治了阿丽塔之后，依德开始和阿丽塔建立起深厚的情感。随着时间的推移，两人之间产生了一种特殊的情感，两人决定出走，在世界各地冒险，探索未知的世界。最终，这个无情、冷酷的小矮人女孩成为了他心目中的另一半，而不是他的遗孀。在外科医生和阿丽塔之间爆发了一场充满冒险、动作与爱情的激战，双方展现出自己身上隐藏的一股坚强与勇气，终究也找到彼此所要寻找的东西。