近未来,日本政要为了推进社会的发展,宣布正式开启提升智能机器人研究水平的“ARK计划”。秉承着一颗正直之心的光明寺信彦博士参与其中,谁知相关负责人竟然假借“ARK计划”名义意图开发军用机器人。在此之后,光明寺博士不明不白死于事故,身后留下了正上大学的女儿美津以及还未成年的儿子小胜。某个夜晚,姐弟俩遭遇一伙不明身份之人的劫持,危机时刻一名神秘男子出手相助,随后该男子竟然现出战斗机器人的模样,他就是光明寺博士生前专门安装了良心回路的智能机器人次郎。
光明寺姐弟的命运由此和次郎搅到一起,而更大的危机和阴谋正向他们逼近……。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。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。
在废铁城居民们的头顶,漂浮着巨大的浮空城市撒冷,废铁城居民们的一切劳作和付出,都是为了给撒冷提供继续运作的燃料。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。。