No futuro distante, a humanidade foi quase extinta por grandes criaturas conhecidas como Klaxosaurs, forçando os sobreviventes a se abrigarem em cidades fortaleza gigantes chamadas Plantations. As crianças criadas aqui são treinadas para pilotar enormes mechas conhecidos como FranXX – as únicas armas eficazes contra os Klaxosaurs – em pares de menino e menina. Criados com o único propósito de pilotar essas máquinas, essas crianças não sabem nada sobre o mundo exterior e só conseguem provar sua existência defendendo sua raça.

Hiro, um aspirante a piloto de FranXX, perdeu sua motivação e autoconfiança depois de falhar em um teste de aptidão. Fugindo da cerimônia de formatura de sua classe, Hiro se refugia em um lago na floresta, onde encontra uma garota misteriosa com dois chifres crescendo em sua cabeça. Ela se apresenta como Zero Two, que é conhecida por ser uma piloto de FranXX infame como ""Partner Killer"". Antes que Hiro possa digerir o encontro, a Plantation é abalada por um ataque repentino do Klaxosaur. Zero Two enfrenta a criatura em seu FranXX, mas ele é gravemente danificado no confronto e cai perto de Hiro. Encontrando seu parceiro morto, Zero Two convida Hiro para pilotar o mecha ao seu lado, e a dupla derrota facilmente o Klaxosaur na luta subsequente. Com um novo parceiro ao seu lado, Hiro é dado uma chance de redenção por suas falhas passadas, mas a que custo?