《阿丽塔战斗天使》剧情讲述的是在26世纪的世界中，上等人住在浮在半空中一个名叫撒冷的空间站里，而平民百姓则在废土一般的地表钢铁废墟垃圾城中生活。钢铁城里人类与机械改造人共存，弱肉强食是钢铁城中唯一的生存法则。钢铁城中著名的改造人医生依德在一个垃圾场发现了一个半机械少女的残躯，几乎只剩下头部，他经过扫描惊喜发现她还存活着，于是他将其改造成为有着机械身体的少女，这个机械身体事先其实是医生依德女儿使用的，但是他女儿没来得及使用就被谋杀了，依德为重生的少女取名阿丽塔，也就是其女儿的名字。阿丽塔失去了过往的记忆，犹如新生儿一般对世界充满好奇。她遇到了街头少年雨果，两人互生好感。天真烂漫的阿丽塔偶然间发现自己有着惊人的战斗力，而她在面对厮杀的过程中，慢慢恢复了记忆，也开始想起自己的使命。
阿丽塔的使命是自己曾经代号为99号，就是要去毁灭这个名叫撒冷的空中之城，在前往空中之城的唯一方法就是在机械球中获取冠军，而她的男友却被误认为挣够100万才能交换去撒冷的机会，雨果通过各种方法挣钱，其中就是和同伴一起拆解机械改造人，后因拆解机械改造人过程中被冠以谋杀罪被通缉，阿丽塔不得已亲手将其杀掉，通过自己的心脏让雨果的头颅保存以便下身进行机械存活，在这一系列的情感交织中，阿丽塔由最开始的天真少女逐渐恢复意志，开始转变为好战天使。
剧情延续上一部科幻片，而本片在末尾似乎也留有悬念，为再下一部拍摄埋下伏笔，这种手法是西方欧美大片的管用手段，通观全片，可谓是全程无尿点，是我们所欣赏到的又一部史诗级别的美轮美奂的盛宴，卡梅隆将这一视觉盛宴推上顶峰，让观众看完之后大呼过瘾，对结尾依依不舍，期待后续佳作。