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故事发生在遥远的26世纪，外科医生依德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。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

一个幼儿园老师发现她班上有一个5岁的潜在天才，她迷上了这个孩子，为了培养他的天赋，她在危险而绝望的道路上盘旋而下。