Battle los angeles menceritakan tentang serangan alien di bumi, yang berawal dari los angeles, amerika serikat, pada tanggal 12 agustus 2011. Salah satu sersan yang bertugas, sersan nantz (aaron eckhart), harus memimpin kelompok tentaranya untuk menghentikan serangan tersebut dan mengalahkan para alien. Kisah berawal dari seorang petugas militer yang menginformasikan nantz bahwa ia mendengar sebuah laporan dari radio tentang hujan meteor. Menurut berita di televisi, hujan meteor diperkirakan akan menghantam bagian pantai dan laut, sehingga evakuasi di sepanjang garis pantai pun dilakukan.
Adegan film battle los angeles berlanjut ke hujan meteor yang mulai menghantam santa monica, namun dilaporkan bahwa meteor tersebut melambat sejenak sebelum mendarat dan meteor tersebut tidak berupa batuan alami. Betapa terkejutnya orang-orang saat melihat makhluk berukuran besar keluar dari dalam laut menuju pantai dan mengarahkan senjata laser dan roket penghancurnya ke arah manusia. Letnan martinez (ramon rodriguez), salah satu pemimpin pasukan yang bertugas, datang ke santa monica untuk membantu evakuasi karena santa monica akan diledakkan tiga jam dari sekarang, sehingga mereka harus cepat bergerak. Pasukan pun bergerak cepat sambil mengevakuasi penduduk yang tersisa ke tempat yang lebih aman. Pasukan lain pun ikut bergabung dalam operasi evakuasi, termasuk sersan santos (micelle rodriguez).
Mereka pun terus berjalan hingga sampai di sebuah kantor polisi, namun mereka mendapati kantor polisi tersebut sudah ditinggalkan dan tak ada korban yang selamat. Di sana, mereka pun mengetahui dari tayangan di televisi bahwa alien menyerang bumi untuk mendapatkan sumber daya air, yang akan alien gunakan sebagai bahan bakar kapal terbang dan senjata mereka. Saat keluar dari kantor polisi, mereka memutuskan untuk pergi menggunakan sebuah bus, di mana mereka hanya memiliki waktu 1 jam lagi sebelum santa monica dihancurkan. Di dalam bus, mereka menemukan seorang alien yang terluka, dan nantz pun ingin memanfaatkan hal ini untuk mempelajari kelemahan alien. Salah satu orang yang dievakuasi adalah seorang dokter hewan dan mengajukan diri untuk melakukan operasi.
Pada akhir film battle los angeles, mereka pun berhasil sampai di bandara dan mendapatkan bantuan helikopter untuk mengangkut mereka keluar dari los angeles. Setelah menyelamatkan korban, mereka pun menjatuhkan salah satu pesawat tanpa awak milik alien menggunakan misil stingernya dan cara tersebut berhasil mengusir pasukan alien mundur. Nantz bersama pasukannya yang lain pun bersiap untuk bertempur lagi dan merebut kembali los angeles.