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故事发生在遥远的26世纪，外科医生依德（克里斯托弗·瓦尔兹 Christoph Waltz 饰）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（罗莎·萨拉扎尔 Rosa Salazar 饰）。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（基恩·约翰逊 Keean Johnson 饰）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（马赫沙拉·阿里 Mahershala Ali 饰）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。

经过对印地安人战争后，美国赢得西部，建造了横贯大陆的铁道。但在铁道建立之前，出现了许多掠夺无耻的案件。在那个不安定而无法律的时代中，产生了举世闻名的不法之徒——法兰克和杰西詹姆斯兄弟。铁道公司连骗带抢，夺得沿线大批土地，詹姆斯兄弟也因此家破人亡，为报杀母之仇，结伙抢劫铁道公司产业，组织日益增大，铁道公司高额悬赏，并对杰西手下以特赦收买，杰西最后终于被自己的同伴背后枪杀身亡。