Il dottor Dyson Ito vive ad Iron City nel 2563, trecento anni dopo la "caduta", e ripara cyborg nella propria clinica. In cerca di componenti perlustra la discarica, dove cadono i rifiuti dalla città sospesa in cielo di Zalem, e qui trova la parte centrale di una ragazza cyborg, che decide di innestare nel corpo, mai utilizzato, che aveva preparato per sua figlia Alita. La ragazza non ha memoria di sé, ma è un cyborg avanzatissimo, di una tecnologia perduta e progettata per la battaglia. È infatti combattendo che lentamente riaffiorano le sue memorie, così decide di entrare tra i cacciatori di taglie della città e poi nei ferocissimi tornei di Motorball. Si innamora inoltre di un ragazzo umano, che sogna però di raggiungere Zalem, luogo da cui una forza sinistra sembra essersi interessata ad Alita.

Il mondo rimane sotto shock quando un gruppo di viaggiatori nel tempo arriva dal 2051 per portare un messaggio urgente: di lì a trent'anni la razza umana sarà sul punto di perdere una guerra globale contro una letale specie aliena. L'unica speranza per sopravvivere è che soldati e civili del presente vengano trasportati nel futuro e si uniscano alla battaglia. Tra le reclute c'è l'insegnate di liceo e padre di famiglia Dan Forester. Determinato a salvare il mondo per la sua giovane figlia, Dan si unisce a una brillante scienziata e al padre da cui si era allontanato nella disperata impresa di riscrivere il destino del pianeta.

Leslie è una madre single del Texas che fa sacrifici per tentare di mantenere il figlio. Vince alla lotteria ma, in pochi anni, dilapida tutto il suo patrimonio inimicandosi amici e conoscenti, fino a cadere nuovamente in disgrazia, senza più nessuno su cui contare. Decide allora di tornare nel suo paese d’origine, dove non ha più alcun contatto, ed incontra Sweeney, un uomo solitario che gestisce un motel e che sembra volerle dare quella seconda opportunità che tutti gli altri, finora, le hanno negato.