Alita se réveille amnésique dans un monde futur qu'elle ne connaît pas. Un médecin s'occupe de remettre en état son corps cybernétique. Elle découvre qu'elle est une arme de combat sophistiquée, qui fait l'objet de convoitises.

En 1962, Tony, un videur de club momentanément au chômage, accepte de servir de garde du corps et chauffeur pour un pianiste noir raffiné et talentueux. Les deux hommes vont en tournée dans le sud, où la ségrégation sévit durement.

A la fin des années 1960, la NASA, qui veut envoyer un homme dans l'espace, engage trois afro-américaines pour effectuer les calculs de trajectoire de vol de fusée. Elles ont du mal à se faire accepter, mais ont le soutien de l'astronaute Glenn.

A Miami, dans les années 1980, le jeune Chiron encaisse des coups à l'école, et voit sa mère s'enfoncer dans la drogue. Il réalise aussi qu'il est homosexuel et a du mal à l'assumer. Son père de substitution l'encourage à accepter son identité.

Dans les années 1860, pendant la guerre entre nord et sud aux Etats-unis, un sudiste se rebelle contre son propre camp. A la tête d'une armée de paysans déserteurs et d'esclaves en fuite, il lutte pour l'abolition de l'esclavage.