No futuro distante, a humanidade foi levada à beira da extinção por gigantescas feras conhecidas como Klaxossauros, forçando os humanos sobreviventes a se refugiarem em cidades-fortaleza massivas chamadas Plantações. Crianças criadas nesses locais são treinadas para pilotar mechas gigantes, conhecidos como FranXX (as únicas armas eficazes contra os Klaxossauros), em duplas de meninos e meninas. Criadas com o único propósito de pilotar essas máquinas, essas crianças não conhecem nada do mundo exterior e só conseguem provar sua existência defendendo sua raça. Hiro, um aspirante a piloto de FranXX, perdeu sua motivação e autoconfiança após falhar em um teste de aptidão. Faltando à cerimônia de formatura de sua turma, Hiro se refugia em um lago na floresta, onde encontra uma garota misteriosa com dois chifres crescendo em sua cabeça. Ela se apresenta por seu codinome Zero Two, que pertence a uma infame piloto de FranXX conhecida como a "Assassina de Parceiros". Antes que Hiro possa assimilar o encontro, a Plantação é abalada por um ataque súbito de Klaxossauro. Zero Two confronta a criatura em seu FranXX, mas ele é gravemente danificado no confronto e cai perto de Hiro. Encontrando seu parceiro morto, Zero Two convida Hiro para pilotar o mecha com ela, e a dupla derrota facilmente o Klaxossauro na luta que se segue. Com uma nova parceira ao seu lado, Hiro recebe uma chance de redenção por seus fracassos passados, mas a que custo?