Num futuro distante, a humanidade foi levada à quase extinção por feras gigantes conhecidas como Klaxosaurs, forçando os humanos sobreviventes a se refugiarem em enormes cidades-fortalezas chamadas Plantations. As crianças criadas aqui são treinadas para pilotar mechas gigantes conhecidos como FranXX – as únicas armas conhecidas por serem eficazes contra os Klaxosaurs – em pares de meninos e meninas. Criadas com o único propósito de pilotar estas máquinas, estas crianças nada sabem do mundo exterior e só conseguem provar a sua existência defendendo a sua raça. Hiro, um aspirante a piloto FranXX, perdeu a motivação e a autoconfiança depois de ser reprovado em um teste de aptidão. Fugindo da 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 pelo codinome Zero Two, que pertence a um infame piloto FranXX conhecido como “Partner Killer”. Antes que Hiro possa digerir o encontro, a Plantação é abalada por um ataque repentino de Klaxosaur. Zero Two enfrenta a criatura em seu FranXX, mas ela é fortemente danificada no conflito e cai perto de Hiro. Ao encontrar seu parceiro morto, Zero Two convida Hiro para pilotar o mecha com ela, e a dupla derrota facilmente o Klaxosaur na luta que se segue. Com um novo parceiro ao seu lado Hiro teve a chance de se redimir por seus fracassos passados