Het verhaal van ALITA: BATTLE ANGEL speelt zich een aantal eeuwen in de toekomst af. De achtergelaten cyborg Alita (Rosa Salazar) wordt gevonden op de vuilnisbelt van Iron City door de barmhartige cyber-arts Ido (Christoph Waltz). 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 rit 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 (Keean Johnson) 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.
In Bellwood, arriveert een mysterieus wezen. Dit wezen begint meteen van alles te vernietigen. Ben Tennyson (Graham Phillips), in de vorm van Heatblast, confronteert het wezen, en na een kort gevecht lijkt het te zijn vernietigd. De volgende dag, als Ben weer naar school gaat, heeft hij moeite weer in het normale ritme te komen. Na een rotdag gaan Ben en Gwen Tennyson enkele jaarboek foto's na. In de achtergrond van één van die foto's zien ze het wezen dat Ben heeft vernietigd. Max Tennyson (Lee Majors) herkent hem als Eon, een wezen dat twee eeuwen eerder al gevangen was genomen. Bij zijn aankomst had Eon een apparaat bij zich genaamd de "Hands of Armageddon" die het mogelijk maakt voor zijn ras om de aarde te kunnen aanvallen. Op de plek waar Eon geland was is alleen niets meer te vinden.
Ben, Gwen en Kevin zijn in gesprek met een groep dealers, die op de zwarte markt buitenaardse nanotechnologie verkopen. Een van hen is Elena, een jeugdvriend van Ben en Gwen en een van de kinderen van de Plumbers. Ze heeft de onderhandeling in scène gezet om Ben naar zich toe te lokken. Haar vader schijnt te zijn ontvoerd door aliens en ze heeft Ben's hulp nodig. Direct nadat Elena is uitgesproken, proberen de andere dealers ene en mysterieuze man Ben, Gwen en Kevin te vangen. Ben kan hen verjagen als Big Chill. Kevin vermoed dat Elena hen heeft geprobeerd te verraden. Gwen steunt dit vermoeden. Het trio reist af naar het Plumbers-hoofdkwartier om de nanochips van de dealers te laten onderzoeken door Max. De chips blijken een mix te zijn van organische en technologische componenten. Hij verteld Ben, Gwen en Kevin meer over Elena; haar vader, Victor Validus, was een leerling van Max, maar werd oneervol ontslagen nadat hij enkele van de originele nanochips had gestolen. Mogelijk zit Elena nu achter deze nieuwe Chips aan...
Los Angeles 2019. Rick Deckard (Harrison Ford) is een 'Blade runner', een detective die zich in de overbevolkte straten van Los Angeles bezighoudt met het opsporen en elimineren van 'replica's', genetisch geproduceerde individuen die gemaakt zijn met het doel echte mensen te helpen bij onaangename taken. Er zijn gevechtsmodellen, pleziermodellen en werkmodellen. Het zijn de goedkope, willoze werkkrachten van de toekomst. Wanneer de Tyrell Corporation, de grootste fabrikant van replica's, een nieuw, geavanceerder model met ingeplante herinneringen en een beperkte levensduur ontwikkelt, model Nexus 6, gaan de poppen echter aan het dansen. De nieuwe replica's beginnen menselijke karaktertrekken te vertonen, ontwikkelen gevoelens en worden zich uiteindelijk bewust van hun sterfelijkheid.
Dertig jaar na de gebeurtenissen in de eerste film ontdekt een nieuwe Blade Runner, LAPD agent K (Ryan Gosling) een verborgen geheim dat wat nog overblijft van de huidige maatschappij mogelijk in chaos kan doen verzinken. De ontdekking van K leidt tot een zoektocht naar Rick Deckard (Harrison Ford), een voormalige Blade Runner die nu reeds dertig jaar vermist is.
