James Cameron découvre "Gunnm" à la fin des années 1990 grâce à Guillermo del Toroqui lui conseille de lire les neuf tomes du manga et voir l'animé. Conquis (et le mot est faible), le célèbre metteur en scène décèle immédiatement le potentiel cinématographique de cette oeuvre cyberpunk aussi violente que philosophique. Au début des années 2000, il annonce qu'il compte s'atteler à la mise en chantier de l'adaptation du manga après la série Dark Angel (qui ressemble d'ailleurs en plusieurs points à "Gunnm") sur laquelle il officie en tant que créateur. Finalement, il choisit de réaliser trois documentaires à la suite, Expedition: Bismarck (2002), Les Fantômes du Titanic (2003) et Aliens of the Deep(2005), avant de se consacrer à Battle Angel (le premier titre du film).
Parallèlement, James Cameron développe un autre projet qu'il mûrit, lui aussi, depuis longtemps : Avatar (également appelé "Project 880"). Lorsque ce blockbuster au budget de 237 millions de dollars sort en salles, en 2009, il devient le plus gros succès mondial de tous les temps, avec environ 2,79 milliards de dollars de recettes mondiales. Un carton qui pousse bien évidemment le cinéaste à travailler sur plusieurs suites, au détriment d'Alita : Battle Angel qu'il garde néanmoins en tête. En 2013, à l'occasion d'un forum sur les nouvelles technologies se tenant à Mexico, il indique toutefois que l'adaptation de son manga préféré pourrait entrer en pré-production en 2017, entre les tournages d'Avatar 3 et Avatar 4.
Les choses se concrétisent en octobre 2015, lorsque James Cameron annonce qu'il confie la réalisation du projet à Robert Rodriguez, metteur en scène atypique à qui l'on doit, entre autres, Desperado, Une nuit en enfer ou encore la lucrative saga Spy Kids. Le réalisateur de Titanic, qui endosse toutefois le poste de producteur sur Alita : Battle Angel, a voulu procéder ainsi pour avoir plus de temps à consacrer aux suites d'Avatar. Rosa Salazar est ensuite choisie la première pour camper la jolie cyborg aux yeux globuleux (elle est préférée à Zendaya, Maika Monroe et Bella Thorne). Le tournage du blockbuster, dont le budget s'élève à 200 millions de dollars, démarre le 17 octobre 2016 pour se prolonger jusqu'au 9 février de l'année suivante.
A l'origine, "Gunnm" est un manga écrit et dessiné par Yukito Kishiro et comporte neuf tomes d'environ 220 pages chacun. Ces derniers ont été publiés pour la première fois entre 1990 et 1995 dans le magazine Business Jump. La première version française est quant à elle sortie entre 1995 et 1998 aux éditions Glénat. La particularité de ce manga, se rattachant au genre cyberpunk, réside dans sa violence extrême et sa vision très noire de l'humanité, ce qui n'empêche pas certains personnages d'avoir des sentiments très profonds, contrastant de manière radicale avec leur environnement.
"Gunnm" se déroule dans un monde post-apocalyptique au vingt-sixième siècle, qui se divise en deux parties principales : d'un côté la décharge, une ville crasseuse et ultra-violente peuplée majoritairement de cyborgs dotés d'un cerveau humain (mendiants, criminels, chasseurs de primes, etc.). Et de l'autre Zalem, une cité flottant à plusieurs milliers de mètres au-dessus de la décharge dont les habitants sont des humains vivant dans un environnement idyllique. Il s'agit de deux endroits en parfaite opposition et bien délimités par des frontières infranchissables.
La majorité de l'action du manga se déroule dans la décharge. Au sein de ce monde régi par la loi du plus fort, un scientifique, le docteur Dyson, découvre la carcasse d'une jeune cyborg abandonnée. Après l'avoir réparée, et donc ramenée à la vie, il la baptise Alita ("Gally" dans le manga). N'ayant aucun souvenir de son passé mais faisant preuve d'aptitudes combatives impressionnantes, elle va tenter de percer le mystère de ses origines et appréhender au mieux le monde post-apocalyptique dans lequel elle évolue. Ceci afin de protéger ceux qu'elle aime de terrifiants ennemis lancés à leurs trousses.
Alita : Battle Angel a été conçu pour un budget extrêmement élevé, digne d'un film de super héros : 200 millions de dollars. Il s'agit donc, et de loin, du film le plus cher réalisé par Robert Rodriguez, devant Sin City : j'ai tué pour elle et ses 65 millions de dollars de budget.
Lorsque James Cameron et son producteur Jon Landau ont rencontré Robert Rodriguez, ils ont commencé par lui montrer d'impressionnantes vidéos et storyboards témoignant du potentiel tant visuel que scénaristique de Alita: Battle Angel. Le cinéaste de Desperado a immédiatement été conquis et leur a demandé s'il pouvait réduire la taille du script de base. "J'ai enlevé certaines scènes et en ai réécrites d'autres, mais dans le "style Cameron" le plus pur". Si Rodriguez a été impressionné par les prémices visuelles qu'il a vues, c'est aussi l'aspect humain de l'histoire, notamment via la cyborg amnésique Alita, qui lui a donné envie de relever ce challenge : "James avait une grande histoire de personnages. C'est ce qu'il fait de mieux : du grand spectacle, de l'action, des choses que vous n'avez jamais vues auparavant, mais parallèlement à cela des personnages et une histoire qui vous touchent. Il y avait une grande histoire d'amour dans Alita: Battle Angel, une histoire père-fille, et je suis moi-même père. J'ai essayé de m'assurer que tout soit présent dans la version que j'ai faite."
Alita: Battle Angel a par ailleurs permis une collaboration fructueuse entre les équipes respectives de Cameron et Rodriguez, notamment entre Lightstorm, la société du premier basée à Los Angeles, et la propre unité de production du second au Texas (Troublemaker Studios). Beaucoup de concepteurs d'effets spéciaux de Lightstorm ont alors fait une pause dans leur travail sur les suites d'Avatar pour se consacrer à Alita.
Pour créer Iron City, la décharge où évoluent les personnages de Alita: Battle Angel, Robert Rodriguez a métamorphosé ses studios d'Austin comme il ne l'avait jamais fait auparavant. Ses équipes ont ainsi conçu un plateau pouvant servir à filmer la ville entière. La célèbre société Weta Digital s'est quant à elle chargée d'ajouter le nécessaire via des effets spéciaux. Elle a également créé Zalem, cette fameuse cité spatiale inaccessible ancrée à la Terre par un gigantesque ascenseur qui ravitaille et envoie des déchets (c'est pour cette raison qu'Iron City s'appelle, dans le manga, "la décharge"). La plupart des prises de vue du film ont été retouchées par des effets spéciaux. Une nécessité puisque Alita elle-même et beaucoup d'autres habitants d'Iron City sont plus ou moins cybernétiques.
Pour des raisons techniques en rapport avec la capacité « magique » de Zalem à planer dans le ciel au-dessus de cette Iron City grouillante de vie et avec l’ascenseur spatial qui la reliait autrefois au sol, James Cameron a choisi de représenter Iron City comme une ville équatoriale située quelque part en Amérique du Sud, tout en lui donnant l’apparence d’un melting-pot de nationalités. Le concept a immédiatement fait mouche dans l’esprit de Robert Rodriguez : "Kishiro n’a pas installé Alita en Asie, il avait le Kansas en tête. Mais, il y a des années, James s’est rendu compte que pour des raisons d’ordre scientifique et technique, il serait plus réaliste qu’Iron City se situe plus près de l’équateur. J’ai adoré ça parce que cette zone géographique offre instantanément plus de couleurs et de richesse que ce que l’on trouve habituellement dans une histoire de science-fiction. Iron City n’est pas terne ni grise, elle est accueillante, vibrante de vie et pleine de diversité."
Après avoir envisagé Zendaya, Maika Monroe et Bella Thorne, James Cameron et Robert Rodriguez ont finalement jeté leur dévolu sur Rosa Salazar pour se glisser dans la peau de la jeune cyborg aux yeux globuleux, véritable machine à tuer mais dotée d'une grande sensibilité. La comédienne, remarquée dans les sagas Divergente et Le Labyrinthe, explique sur son personnage : "Alita est une fille normale qui se compose de parties cybernétiques et qui a une histoire personnelle à la fois traumatique et folle. Alita est comme moi. Elle a toute une palette d'émotions. Elle n'est pas sûre d'elle. Elle est courageuse. Elle est forte. Elle est curieuse et elle est défiante. Elle est puissante et elle est faible. Elle a une vraie âme et je pense qu'elle le découvre tout au long du film." Rosa Salazar s'est par ailleurs entraînée aux arts martiaux pendant plusieurs mois et ce 2 heures par jours 5 jours sur 7. Elle a également raconté avoir colorié des images du manga pendant le tournage !
Peu de temps avant la sortie du film, la Twentieth Century Fox a dû face à une plainte déposée par une société basée en Floride, pour violation de marque déposée. Cette société, du nom d'Epic Stone Group, aurait en effet déposé en 2009 la marque "Battle Angel", et vendu des marchandises sous ce nom depuis une dizaine d'années. En avril 2018, Epic Stone Group avait même complété son dépôt de marque pour couvrir les DVD, films téléchargés, e-books et autres contenus téléchargeables. La partie s'annonce serrée pour la Fox, car, outre la promotion du film à venir de Robert Rodriguez, elle a déjà, bien entendu et depuis un moment, donné son feu vert pour du merchandising vendu autour du film... A ce titre, Epic Stone estime que ce fait est de nature "à entraîner la confusion chez les consommateurs", en plus de présenter un préjudice pour sa marque. En conséquence de quoi elle exige le paiement de dommages, la cessation par la Fox de commercialisation d'objets portant la mention "Battle Angel", et le renoncement à tout profit relatif à la marque "Battle Angel". La Major a pour le moment refusé de commenter la plainte déposée.
Pour les scènes du Motorball de rue, la production a recruté un quatuor de patineurs de classe mondiale pour exécuter les mouvements de parkour. En revanche, la plupart des personnages de la version professionnelle du Motorball ont dû être presque entièrement créés par ordinateur parce qu’il n’existe tout simplement pas d’analogue humain à la façon dont ils se déplacent. Richard Hollander, superviseur des effets visuels, souligne : "Certains de nos personnages ne fonctionnent tout simplement pas comme les humains, il était donc impossible d’utiliser la technique de capture de mouvements réels."
Le directeur artistique Todd Holland est devenu l’expert maison du studio pour ce sport de fiction. Il s’est inspiré du manga pour en élaborer les règles et les scores. Il détaille : "Le Motorball n’a rien à voir avec marquer un but ou un panier, tout est une question de possession de balle. Plus longtemps vous gardez la balle, plus vous marquez de points. Ce sport se joue par équipes de sept, mais il y a une version encore plus impitoyable où c’est chacun pour soi. C’est ce qu’Alita expérimente lors des épreuves de sélection."