Em um futuro distante, a humanidade foi levada à quase extinção por bestas gigantes conhecidas como Klaxosaurs, forçando os humanos sobreviventes a se refugiarem em grandes cidades fortificadas chamadas Plantations. As crianças criadas aqui são treinadas para pilotar mechas gigantes conhecidas como FranXX - as únicas armas conhecidas por serem eficazes contra os Klaxossauros - em pares de meninos e meninas. Criadas com o único objetivo de pilotar essas máquinas, essas crianças não sabem nada do mundo exterior e só conseguem provar sua existência defendendo sua raça. Hiro, um aspirante a piloto da FranXX, perdeu sua motivação e autoconfiança depois de falhar em um teste de aptidão. Pulando na cerimônia de formatura de sua turma, Hiro se retira para um lago da floresta, onde encontra uma garota misteriosa com dois chifres crescendo em sua cabeça. Ela se apresenta com seu codinome Zero Two, que é conhecido por pertencer a um infame piloto da FranXX conhecido como Partner Killer. Antes que Hiro possa digerir o encontro, a Plantação é abalada por um ataque repentino de Klaxosaur. Zero Dois envolve a criatura em seu FranXX, mas é fortemente danificado na batalha e cai perto de Hiro. Encontrando seu parceiro morto, Zero Dois convida Hiro a pilotar o mecha com ela, e a dupla derrota facilmente o Klaxosaur na luta que se seguiu. Com um novo parceiro ao seu lado, Hiro teve uma chance de redenção por suas falhas passadas, mas a que custo?
