本片根据同名漫画改编而成，故事设定在26世纪，那时科技已经可以重塑人类的大部分器官，不少人都换上了机械的身体。主人公艾德某天在垃圾堆里找到一个少女的机械残躯。艾德把她救活并将其命名为阿丽塔，但她已失去了以前的记忆。在一次偶然的机会下，艾德发现阿丽塔原来有着超强的战斗力，注定了她的使命就是要不停的战斗……

2045 年，世界陷入系统性的“持续战争”中，然而公众仍未意识到人类的存亡可能掌握在 AI 手里。在神秘的“新人类”出现后，全身义体化的少校草薙素子所在的公安九课作为雇佣兵登场。由于超级大国都试图把控局面，公安九课因此进行了重组。

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。