En un futuro lejano, la humanidad ha sido llevada al borde de la extinción por bestias gigantes conocidas como Klaxosaurs, obligando a los humanos sobrevivientes a refugiarse en enormes ciudades fortaleza llamadas Plantations. Los niños criados aquí son entrenados para pilotar mechas gigantes conocidos como FranXX —las únicas armas conocidas que son efectivas contra los Klaxosaurs— en parejas chic

En un futuro lejano, la humanidad ha sido llevada al borde de la extinción por bestias gigantes conocidas como Klaxosaurs, obligando a los humanos sobrevivientes a refugiarse en enormes ciudades fortaleza llamadas Plantations. Los niños criados aquí son entrenados para pilotar mechas gigantes conocidos como FranXX —las únicas armas conocidas que son efectivas contra los Klaxosaurs— en parejas chico-chica. Criados con el único propósito de pilotar estas máquinas, estos niños no saben nada del mundo exterior y solo pueden demostrar su existencia defendiendo a su raza. Hiro, un aspirante a piloto de FranXX, ha perdido su motivación y confianza en sí mismo tras reprobar una prueba de aptitud. Saltándose la ceremonia de graduación de su clase, Hiro se retira a un lago en el bosque, donde se encuentra con una misteriosa chica con dos cuernos que le crecen en la cabeza. Ella se presenta con su nombre clave Zero Two, que se sabe pertenece a una infame piloto de FranXX conocida como la "Asesina de Parejas". Antes de que Hiro pueda asimilar el encuentro, la Plantation es sacudida por un repentino ataque de un Klaxosaur. Zero Two se enfrenta a la criatura en su FranXX, pero este resulta gravemente dañado en la escaramuza y se estrella cerca de Hiro. Al encontrar a su compañero muerto, Zero Two invita a Hiro a pilotar el mecha con ella, y el dúo derrota fácilmente al Klaxosaur en la pelea resultante. Con una nueva compañera a su lado, Hiro ha recibido una oportunidad de redención por sus fracasos pasados, pero ¿a qué costo?