故事发生在遥远的26世纪,外科医生依德(克里斯托弗·瓦尔兹 Christoph Waltz 饰)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(罗莎·萨拉扎尔 Rosa Salazar 饰)。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(基恩·约翰逊 Keean Johnson 饰)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(马赫沙拉·阿里 Mahershala Ali 饰)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的格斗天赋参加比赛,却被卷入了一个巨大的阴谋之中。
精神病医院里,费舍尔医生(丹•史蒂文斯 Dan Stevens 饰)多次探访一名女精神病人安(米歇尔•道克瑞 Michelle Dockery 饰)并企图帮助。安向他讲述了在布莱那所美丽的大宅子里发生的诡异事件。1921年,年轻单纯的乡下女孩安来到伦敦应聘一份家庭教师的工作。因为前任家庭教师离职,雇主急需一名新人来全权照顾他乡下宅子中亡兄的孩子。安为男雇主帅气迷人的外表所吸引,答应下了这份工作并即刻起身前往。当她在大宅中工作了一段时间后,安发现,两名小孩迈尔斯和弗罗拉十分的可爱乖巧,欢乐共处的时光让她渐渐喜爱起这份工作。然而一件又一件诡异古怪事情的发生,让她发现了这两个孩子一直被一对男女缠身,而他们的真实身份竟然是已经死亡的贴身男仆琨特和前任家庭女教师泽茜。而众人对迈尔斯和弗罗拉成长的堕落和教育的漠不关心,终于让安决定担任起保护他们的责任… 该片改编自亨利詹姆斯的小说《The Turn of the screw》。