Di masa depan yang jauh, umat manusia hampir punah karena makhluk raksasa yang dikenal sebagai Klaxosaurs, memaksa manusia yang selamat untuk berlindung di kota-kota benteng besar yang disebut Plantasi. Anak-anak yang dibesarkan di sini dilatih untuk mengemudikan mecha raksasa yang dikenal sebagai FranXX—satu-satunya senjata yang dikenal efektif melawan Klaxosaurs—dalam pasangan laki-laki dan perempuan. Dibesarkan hanya untuk tujuan mengemudikan mesin-mesin ini, anak-anak ini tidak tahu apa-apa tentang dunia luar dan hanya dapat membuktikan keberadaan mereka dengan mempertahankan ras mereka.
Hiro, seorang calon pilot FranXX, kehilangan motivasi dan kepercayaan diri setelah gagal dalam tes bakat. Menghindari upacara kelulusan kelasnya, Hiro pergi ke danau di hutan, di mana ia bertemu dengan seorang gadis misterius dengan dua tanduk tumbuh dari kepalanya. Dia memperkenalkan dirinya dengan nama kode Zero Two, yang dikenal sebagai pilot FranXX yang terkenal sebagai “Partner Killer.” Sebelum Hiro dapat memproses pertemuan itu, Plantasi diguncang oleh serangan Klaxosaur yang tiba-tiba. Zero Two menghadapi makhluk itu dengan FranXX-nya, tetapi mesin tersebut mengalami kerusakan parah dalam pertempuran dan jatuh dekat Hiro. Menemukan pasangannya sudah mati, Zero Two mengundang Hiro untuk mengemudikan mecha bersamanya, dan pasangan ini dengan mudah mengalahkan Klaxosaur dalam pertempuran yang menyusul. Dengan pasangan baru di sampingnya, Hiro mendapatkan kesempatan untuk menebus kegagalan masa lalunya, tetapi dengan harga berapa?
