Rosa Salazar trong vai Alita, một nữ người máy bị mất trí nhớ, có mái tóc ngắn, đôi mắt nâu và nhạy cảm.
Christoph Waltz trong vai tiến sĩ Dyson Ido, một nhà khoa học nổi tiếng, Thợ săn-Chiến binh[lower-alpha 2] và là người tìm thấy/chăm sóc Alita.
Jennifer Connelly trong vai Chiren, vợ cũ của Ido, người đã bị trục xuất cùng anh và con gái của họ khỏi Zalem và luôn ước mơ trở lại đó.
Mahershala Ali trong vai Vector, một doanh nhân chuyên khai thác các trận đấu motorball.
Ed Skrein trong vai Zapan, một thợ săn tiền thưởng người máy có nhiệm vụ truy lùng và sát hại Alita.
Jackie Earle Haley trong vai Grewishka, một gã người máy khổng lồ với tư cách là sát thủ làm việc cho Nova, Grewishka dựa trên Grewcica từ Battle Angel Alita (OVA).
Keean Johnson trong vai Hugo, người đã dạy Alita chơi một trò kiểu đấu sĩ tên là motorball.
Lana Condor trong vai Koyomi K, một người bạn của Hugo.
Jorge Lendeborg Jr. trong vai Tanji, một người bạn của Hugo.
Jai Courtney trong vai Jashugan, một nhà vô địch motorball.
Michelle Rodriguez trong vai Gelda, một chiến binh người máy đến từ Sao Hỏa và cùng là người huấn luyện Alita.
Eiza González trong vai Nyssiana, một người máy sát thủ chuyên đi săn những cái đầu có tiền thưởng.
Idara Victor trong vai y tá Gerhad, trợ lý của Ido.
Marko Zaror trong vai Ajakutty, một người chơi Motorball.
Elle LaMont trong vai Víthead, một nữ thợ săn chiến binh.
Leonard Wu trong vai Kinuba, một người chơi motorball.
Jeff Fahey trong vai McTeague, thợ săn chiến binh dẫn đầu một đàn chó robot.
Rick Yunetrong vai Master Clive Lee, một Thợ săn-Chiến Binh, người giữ kỷ lục đã tước đi 200 sinh mạng.
