En un futuro lejano, la humanidad ha sido llevada a la casi extinción por bestias gigantes conocidas como Klaxosaurios, forzando 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 niño-niña. Criados con el único propósito de pilotear estas máquinas, estos niños no saben nada del mundo exterior y sólo pueden probar su existencia defendiendo su raza.

Hiro, un aspirante a piloto de FranXX, ha perdido su motivación y confianza en sí mismo después de fallar 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 misteriosa chica con dos cuernos que le salen de la cabeza. Se presenta con su nombre en clave Cero Dos, que se sabe que pertenece a un infame piloto de FranXX conocido como el "Asesino de Socios". Antes de que Hiro pueda digerir el encuentro, la Plantación es sacudida por un repentino ataque de Klaxosaurios. La Cero Dos ataca a la criatura en su FranXX, pero resulta muy dañada en la escaramuza y se estrella cerca de Hiro. Encontrando a su compañero muerto, Cero Dos invita a Hiro a pilotar el mecha con ella, y el dúo derrota fácilmente al Klaxosaurio en la lucha subsiguiente. Con un nuevo compañero a su lado, Hiro tiene la oportunidad de redimirse de sus fracasos pasados, pero ¿a qué precio?