Het verhaal van Alita: Battle Angel speelt zich een aantal eeuwen in de toekomst af. De achtergelaten cyborg Alita wordt gevonden op de vuilnisbelt van Iron City door de barmhartige cyber-arts Ido. Hij neemt de bewusteloze Alita mee naar zijn kliniek. Wanneer Alita ontwaakt, heeft ze geen herinnering aan wie ze is en herkent ze de wereld waar ze zich in bevindt niet. Alles is nieuw voor Alita, elke ervaring beleeft ze voor het eerst. Terwijl ze haar nieuwe leven op de rails probeert te krijgen in de verraderlijke straten van Iron City doet Ido zijn best om Alita af te schermen voor haar mysterieuze verleden. Haar slimme vriend Hugo helpt haar juist herinneringen op te wekken. Er bloeit iets op tussen de twee totdat dodelijke vijanden achter Alita aankomen en haar omgeving bedreigen. Het is op dat moment dat Alita ontdekt dat ze over buitengewone vechtcapaciteiten beschikt die ze kan gebruiken om de vrienden en familie, waarvan ze is gaan houden, te redden. Vastbesloten om erachter te komen waar ze vandaan komt, vertrekt Alita op een reis om het op te nemen tegen de onrechtvaardigheden van deze donkere, corrupte wereld. Gaandeweg zal ze ontdekken dat één jonge vrouw de wereld waarin ze leeft kan veranderen.