En un futuro lejano, las bestias gigantes conocidas como Klaxosaurios han llevado a la humanidad casi a la extinción, obligando a los humanos sobrevivientes a refugiarse en enormes ciudades fortaleza llamadas Plantaciones. Los niños criados aquí son 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 a su raza. Hiro, un aspirante a piloto de FranXX, ha perdido la motivación y la confianza en sí mismo después de reprobar una prueba de aptitud. Saltándose la ceremonia de graduación de su clase, Hiro se retira a un lago del bosque, donde se encuentra con una chica misteriosa a la que le salen dos cuernos de la cabeza. Se presenta con su nombre en clave Zero Two, que se sabe que pertenece a un infame piloto de FranXX conocido como "Partner Killer". Antes de que Hiro pueda digerir el encuentro, la Plantación es sacudida por un repentino ataque de Klaxosaurio. Zero Two se enfrenta a la criatura en su FranXX, pero está muy 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 Klaxosaurio en la pelea que sigue. Con un nuevo compañero a su lado, a Hiro se le ha dado la oportunidad de redimirse de sus fracasos pasados, pero ¿a qué costo?