公元2030年，经历了4次世界大战的世界面临更严峻的挑战。随着人类义体化等科技的不断发展，犯罪行为也日渐离奇复杂。为了解决这类案件，日本内务省的直属部队——公安9课，这个对外不存在的特种部队，在队长草薙素子的带领下向恶势力发起制裁。而面对公安9课的，是高度发达的科技下创造的案件、权力政治斗争的阴谋、与以笑脸男为代表的Stand Alone Complex犯罪。

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ChristophWaltz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RosaSalazar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KeeaJohso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