L'an 2563, 300 ans après que la Terre a connu une catastrophe appelée "l'effondrement" consécutive à une guerre contre Mars. Dans la ville d'Iron City infestée par le crime, le Dr Dyson Ido, médecin spécialisé dans les augmentations biomécaniques, cherche des pièces détachées dans une décharge à ciel ouvert venant de Zalem, dernière cité céleste de la planète, surplombant Iron City, et où chacun rêve d'aller. Ido trouve le corps d'une cyborg en piteux état. Il va alors la ramener dans sa clinique pour la réparer. La jeune cyborg se réveille, réparée mais amnésique. Le docteur Ido la rebaptise Alita (du prénom de sa fille décédée) et lui fait découvrir le monde dans lequel ils survivent. Mais Alita se découvre des réflexes combatifs et une force surhumaine, veut toujours en savoir plus et aller plus loin. Elle fait la connaissance d'Hugo, un jeune revendeur de pièces détachées auquel elle se lie rapidement. Alita va tenter de comprendre qui elle est réellement et d'où elle vient. Elle croise la route du terrible Vector, qui contrôle les matches du sport ultra-populaire de la ville, le Motorball.
L'histoire se déroule en novembre 2019, à Los Angeles, au climat pluvieux et où la quasi-totalité de la faune a disparu. La population est encouragée à émigrer vers les colonies situées sur d'autres planètes. Les animaux sont artificiels et il existe également des androïdes, des robots (en fait des humains fabriqués par manipulations génétiques) à l'apparence humaine aussi appelés « réplicants » (parfois orthographié « répliquants »). Ceux-ci sont plus ou moins considérés comme des esclaves modernes, qui sont utilisés pour les travaux pénibles ou dangereux, dans les forces armées ou comme objets de plaisir.
En 2049, des humanoïdes issus du génie biologique, appelés réplicants, ont été intégrés dans la société pour assurer la survie de l'humanité. K, l'un des plus récents modèles conçus pour obéir, travaille comme blade runner au LAPD. Sa mission consiste surtout à pourchasser et éliminer les anciens modèles délinquants.
Dans un futur où la plupart des humains se sont déplacés sous terre pour échapper à la pollution, l'un des rares plaisirs qui reste est une sorte de narcotique sous forme de puces qui peuvent être branchées directement dans le cerveau. Lori, une garde du corps, vole une caisse de telles puces et s'enfuit sous terre de Los Angeles avec Danner, un androïde de plaisir afin qu'ils puissent faire passer les puces en contrebande à New York. À sa poursuite se trouve Plughead, un dangereux criminel ainsi nommé en raison des nombreuses prises et ports qui ornent son cuir chevelu afin qu'il puisse tester et utiliser les puces qu'il recherche.
Dans un futur post-apocalyptique, un groupuscule tente de renverser le maire à demi-fou de Yokohama. Alors qu'un vagabond les soutient dans leur action, un flic dur-à-cuire tente de les éliminer. Alors que le lien entre les trois épisodes de la saga n'est pas évident de prime abord, c'est dans ce dernier épisode qu'il est révélé.
Alex (Emilio Estevez) est un pilote de course. Victime d'un accident, il se réveille en 2009. Sa ville est devenue une jungle où seuls survivent les hommes d'affaires et les chasseurs de primes. Grâce à la technologie, il est désormais possible de transférer un esprit dans un autre corps, et ainsi vivre plus longtemps. Le fait que le monde de 2009 soit toxique au dernier degré oblige ceux qui veulent changer de corps à « récupérer » des humains en bonne santé dans le passé ; il suffit juste de savoir l'heure et le jour exacts de la mort du sujet et de le transférer dans le futur ; Alex est mort sur un champ de course alors que la scène avait été filmée, ce qui en fait un candidat idéal, un « FREEJACK » ; Alex arrive à s'enfuir juste avant qu'on le lobotomise pour lui voler son corps, mais un chasseur de primes impitoyable (Mick Jagger) est bien décidé à le traquer.
Dans un futur proche.
Le Major Mira Killian est unique en son genre. En effet, il y a un an, cette jeune femme a été sauvée d'un terrible accident en transférant son cerveau dans un corps synthétique aux capacités cybernétiques. À la suite de l'opération, elle a tout oublié de son passé. Elle a ensuite rejoint une unité d'élite anti-terroriste, la section 9, pour lutter aux côtés de Batou contre les plus dangereux criminels. Lorsque sévit une menace d'un nouveau genre, capable de pirater et de contrôler les esprits, le Major s'avère être la seule à pouvoir la combattre. Alors qu'elle s'apprête à affronter ce nouvel ennemi, elle découvre qu'on lui a menti ; sa vie n'a pas été sauvée, mais on la lui a volée. Rien ne l'arrêtera pour découvrir son véritable passé, trouver les responsables et les empêcher de recommencer avec d'autres cobayes.
Dans un futur proche, les sociétés privées ont acquis un pouvoir immense. Luke Gibson et son épouse Ronnie, qui est enceinte, sont tous deux victimes d'un accident de voiture. Ronnie ne survit pas, mais Luke Gibson est sauvé in extremis par la société Hope Corpoation, qui lui a implanté une puce spéciale dans le cerveau. Gibson a perdu tout souvenir de son passé, mais il est victime d'hallucinations, il voit notamment apparaître des acteurs de publicités qui viennent débiter leur argumentaire commercial directement dans sa tête. Comprenant assez vite que quelque chose ne se passe pas normalement, et aidé de son entraînement militaire, Gibson commence à se rebeller contre son « bienfaiteur », la société Hope, qui décide alors de le tuer à distance à l'aide de la puce implantée. Mais cela ne fonctionne pas, des hackers interceptent la commande et parviennent à aider Gibson à survivre. Il fait vite leur connaissance : il s'agit d'un frère et une sœur, punk blue et punk red, et d'un père et son fils handicapé, Hal et Keyboard, qui se sont donné pour mission de détruire la Hope Corporation. Luke Gibson apprend alors que l'accident dont il a été victime avait été provoqué sciemment, et qu'il avait été choisi par vengeance par un ancien camarade de régiment dont il avait dénoncé les activités illégales.
2018. Une mission lunaire est envoyée dans l'espace à des fins électoralistes pour aider à la réélection d'une présidente américaine en difficulté et pour trouver des gisements d'hélium 3 sur la face cachée de la Lune, élément nécessaire à une future exploration spatiale. Les deux astronautes tombent sur une patrouille de nazis qui s'y cachent ; l'un est abattu, l'autre, un noir dénommé Washington, est capturé.
Johnny est un messager qui transporte, dans son cerveau, des données informatiques pour le compte de toute sorte de clients soucieux de se protéger des fuites ou des intrusions.
Seul survivant de l'explosion d'un mystérieux laboratoire, Jobe, simple d'esprit devenu demi-dieu cybernétique, est entre la vie et la mort. Le Dr. Cori Platt entreprend de reconstruire l'esprit de Jobe en utilisant l'informatique et la réalité virtuelle. Pendant ce temps, le scientifique Benjamin Trace se bat pour conserver l'exploitation de son invention : un programme de réalité virtuelle nommé "CHIRON". John Walker, un homme d'affaires cupide, s'empare de "CHIRON" pour réussir son projet démoniaque : contrôler l'accès à toutes les informations du monde. Pour l'aider dans son projet, Walker pense alors à Jobe. Seul le scientifique Trace peut contrer Jobe devenu une montruosité synthétique et dotée d'une puissance incommensurable.
Le film se déroule à Washington en 2054. Il s'ouvre sur John Anderton, le chef de l'organisation gouvernementale expérimentale Précrime qui existe depuis 6 ans.
En 2038, les ressources naturelles de la Terre sont quasiment épuisées. La lutte est âpre pour s'approprier les dernières portions minérales disponibles sur les autres planètes. Des corporations se créent. Lorsque l'une d'elles voit disparaître ses robots, elle fait appel à des prisonniers pour la défendre. Au sein de l'équipe, la tension monte.