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将来への希望もない小さな町で暮らすフリン・フィッシャーは天才的ゲーマーだが、しがないプリントショップに勤めながら、退役軍人の兄バートンと病気の母エラを支えている。バートンに頼まれて高度なシミュレーションゲームを試す中で、見てはいけないものを見てしまい、現実世界の家族を危険にさらすことに。

雇われの兵がフリンの家を襲う。なぜ命を狙われるのか探るべく、フリンは再びシミュレーションの中へ。するとゲームだと思っていた世界が実は70年先のロンドンだと判明する。フリンは、アリータを捜すウィルフとレヴと協力し合うことにする。

フリンとウィルフは協力しアリータを捜す。一方、バートンは新たな脅威に立ち向かう。

フリンの体調に異変が現れる。ウィルフがフリンの世界に現れ、２人の距離が一歩近づく。フリンは自身の未来に関する真実を知ってしまう。

フリンは再び命を狙われ、シェリスと対峙する。

フリンとウィルフは、アリータがロンドンを破壊しようと計画するネオプリムたちと繋がりがあることを知る。ロンドン警視庁エインズリー・ロービア警部補がレヴを訪れ、フリン、バートン、コナーの３人に会わせるよう求める。

フリン、バートン、コナーの３人はロービアと会い、テストを受ける。その頃、エラの命は危険にさらされ、トミーは保安官とコーベル・ピケットと駆け引きをする。

トミーが自分の行動の後始末をする。アッシュは予想外の人物に助けを求める。シェリスはリサーチ研究所から盗まれたデータが悪の手に渡らぬよう、徹底的な作戦を立てる。ロービア警部補はフリンに母エラを助けることはできないと告げ、ウィルフはフリンに自分の過去について話す。ジャスパーが行動を起こす。アリータは自身の計画を明らかにし、フリンは自分たちの世界を救うべく、自身の命を懸ける。