En un futuro lejano, la humanidad ha sido conducida a la casi extinción por bestias gigantes conocidas como Klaxosaurs, lo que obligó a los humanos sobrevivientes a refugiarse en ciudades de fortaleza masivas llamadas Plantaciones. Los niños criados aquí están entrenados para pilotar mechas gigantes conocidas como FranXX, las únicas armas que se sabe que son efectivas contra los Klaxosaurios, en parejas de niños y niñas. Criados con el único propósito de pilotar estas máquinas, estos niños no saben nada del mundo exterior y solo pueden demostrar su existencia defendiendo su raza. Hiro, un aspirante a piloto de FranXX, ha perdido su motivación y confianza en sí mismo después de no aprobar una prueba de aptitud. Saltando en la ceremonia de graduación de su clase, Hiro se retira a un lago del bosque, donde se encuentra con una misteriosa chica con dos cuernos que salen de su cabeza. Ella se presenta con su nombre en clave Zero Two, que se sabe que pertenece a un infame piloto de FranXX conocido como el "Asesino Socio". Antes de que Hiro pueda digerir el encuentro, la plantación es sacudida por un repentino ataque de Klaxosaur. Zero Two involucra a la criatura en su FranXX, pero está muy dañada 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 fácilmente derrota al Klaxosaurio en la lucha que sigue. Con un nuevo compañero a su lado, Hiro ha tenido la oportunidad de redimirse por sus fallas pasadas, pero ¿a qué costo?