No futuro distante, a humanidade foi levada à quase extinção por feras gigantes conhecidas como Klaxossauros, forçando os humanos sobreviventes a se refugiarem em enormes cidades-fortaleza chamadas Plantações. As crianças criadas aqui são treinadas para pilotar mechas gigantes conhecidos como FranXX—as únicas armas conhecidas por serem eficazes contra os Klaxossauros—em pares de meninos e meninas. Criadas 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 após falhar em um teste de aptidão. Faltando à cerimônia de formatura de sua turma, Hiro se retira para um lago na 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 uma infame piloto de FranXX conhecida como a "Assassina de Parceiros". Antes que Hiro possa digerir o encontro, a Plantação é abalada por um súbito ataque de Klaxossauro. Zero Two enfrenta a criatura em seu FranXX, mas ele é gravemente danificado no combate e cai perto de Hiro. Encontrando seu parceiro morto, Zero Two convida Hiro a pilotar o mecha com ela, e a dupla derrota facilmente o Klaxossauro na luta que se segue. Com uma nova parceira ao seu lado, Hiro recebeu uma chance de redenção por seus fracassos passados, mas a que custo?