En un futuro lejano, la humanidad ha sido llevada al borde de la extinción por bestias gigantes llamadas Klaxosaurs, obligando a los sobrevivientes a refugiarse en enormes ciudades fortaleza llamadas Plantaciones. Los niños criados allí son entrenados para pilotar mechas gigantes conocidos como FranXX, las únicas armas efectivas contra los Klaxosaurs, en parejas niño-niña. 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 después de fallar una prueba de aptitud. Saltándose la ceremonia de graduación de su clase, Hiro se retira a un lago en el bosque, donde se encuentra con una misteriosa chica con dos cuernos en la cabeza. Ella se presenta con su nombre en clave Zero Two, conocido por pertenecer a una infame piloto de FranXX llamada la "Asesina de Compañeros". Antes de que Hiro pueda asimilar el encuentro, la Plantación es sacudida por un repentino ataque Klaxosaur. Zero Two se enfrenta a la criatura en su FranXX, pero resulta gravemente 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