2563年，地球和火星大戰結束3百年，城市仍舊破敗荒涼。
有權有勢的達官貴人，富豪都住在空中都市薩雷姆，貧民，身體殘缺者住在地面，由薩雷姆所統治。
某日戴森·依德博士（克里斯多夫·華茲 飾演）在廢料場撿到只有頭顱跟半身殘骸，她的原子爐心臟完好，依德博士把她帶回家進行修護重建合成身體，並把失蹤女兒艾莉塔的名字給了她。
重生的艾莉塔（羅莎.薩拉查 飾演）對陌生世界充滿好奇，某次她跟依德博士出門，為了救險被自走兵器百夫長碾壓過的小狗，認識了男孩雨果（基安.強生 飾演），雨果看見艾莉塔的機械手臂，驚呼：妳是合替人。
艾莉塔對自己是合替人並不在意，她在意的是自己的過去，她究竟是誰，連依德博士也不知道。
雨果帶艾莉塔去參加球賽，挖掘她驚人的衝撞速度，這樣靈活的身手，讓他想帶艾莉塔參加死亡球賽，雨果一直想移居到空中都市去，在地面出生成長的人是不可能上去空中都市，除非付出器官做代價。
夜晚艾莉塔發現依德醫師會神秘的出門，艾莉塔等待醫師回來後，問他去了那裡？
醫師告訴艾莉塔，他和前妻千蓮（珍妮佛·康納莉 飾演）都是出生在空中都市薩雷姆，他們唯一的女兒艾莉塔生病，無法行走，一家人被驅逐到地面來。
一旦被驅逐，就再不能回去空中都市。
依德醫師為身體殘缺的人做修復，所以艾莉塔常看見診所出現不同機械部位的病患。
千蓮不讚成丈夫做這事，兇惡的維克塔多次前往求診，醫師拒絕替他做手術，某晚他闖入診所擄走艾莉塔，女兒生死不明，千蓮生氣的離開丈夫。
她轉跟維克塔合作，替他做手術成為合替人，默許他在外屠殺支解合替人，拿走那些機械賣掉，或佔為已有。
依德醫師才會在夜晚出門，追蹤並殺掉重大犯罪的合替人。
艾莉塔非常喜歡雨果，願意到獵人酒吧去參加死亡球賽，還去問經營死亡球賽諾瓦（愛德華·諾頓 飾演），能不能送人上去薩雷姆。
諾瓦回答當然能，只是送上去的是大腦心臟，肺腎臟這些器官，住在薩雷姆的人長生不老不死，好的器官對他們太有用了。
醫療科技已經能讓人長生不老，活了3百年的諾瓦告訴艾莉塔，他的樂趣就是看人死去。
艾莉塔強大的戰鬥力在獵人酒吧樹敵太多，所以維克塔敲扁她的小狗做為報復。
她把死去小狗的血抹在臉上，提醒自己不忘記所愛被奪取的仇恨。
《艾莉塔：戰鬥天使》改編日本漫畫《銃夢》，沒看過漫畫不知道原創故事內容是怎樣。電影有著〈鋼鐵人〉〈機器戰警〉〈銀翼殺手〉〈極樂世界〉的影子，空中都市，廢鐵鎮的店面，攤販，街道上往來的行人，有人類，身體部位奇形怪狀合替人，火星人，視覺特效精緻到栩栩如生，根本看不來出來是電腦動畫繪製的。
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