Di masa depan yang jauh, umat manusia hampir punah karena binatang raksasa yang dikenal sebagai Klaxosaurus, memaksa manusia yang masih hidup untuk berlindung di kota benteng besar yang disebut Perkebunan. Anak-anak yang dibesarkan di sini dilatih untuk mengemudikan mecha raksasa yang dikenal sebagai FranXX—satu-satunya senjata yang diketahui efektif melawan Klaxosaurus—berpasangan laki-laki dan perempuan. Dibesarkan hanya dengan tujuan mengemudikan mesin ini, anak-anak ini tidak tahu apa-apa tentang dunia luar dan hanya mampu membuktikan keberadaan mereka dengan membela ras mereka.
Hiro, seorang calon pilot FranXX, kehilangan motivasi dan kepercayaan diri setelah gagal dalam tes bakat. Melewatkan upacara wisuda kelasnya, Hiro mundur ke danau hutan, di mana dia bertemu dengan seorang gadis misterius dengan dua tanduk tumbuh di kepalanya. Dia memperkenalkan dirinya dengan nama kode Zero Two, yang diketahui milik pilot FranXX terkenal yang dikenal sebagai “Partner Killer”. Sebelum Hiro bisa mencerna pertemuan itu, Perkebunan diguncang oleh serangan Klaxosaurus yang tiba-tiba. Zero Two menyerang makhluk itu di FranXX-nya, tetapi makhluk itu rusak parah dalam pertempuran itu dan jatuh di dekat Hiro. Menemukan pasangannya mati, Zero Two mengundang Hiro untuk mengemudikan mecha bersamanya, dan keduanya dengan mudah mengalahkan Klaxosaurus dalam pertarungan berikutnya. Dengan partner baru di sisinya, Hiro diberi kesempatan untuk menebus kegagalannya di masa lalu, tapi apa akibatnya?
