En un futuro lejano, la humanidad se ha visto casi en extinción por las bestias gigantes conocidas como Klaxosaurios, lo que obligó a los humanos sobrevivientes a refugiarse en ciudades de fortalezas masivas llamadas Plantaciones. Los niños criados aquí están entrenados para pilotar en parejas de niños y niñas mechas gigantes conocidas como FranXX, las únicas armas que se sabe que son efectivas contra los Klaxosaurios. Criados con el único propósito de pilotar estas máquinas, estos niños no saben nada del mundo exterior y solo pueden probar su existencia defendiendo su raza.
Hiro, un aspirante a piloto de FranXX, perdió su motivación y confianza en sí mismo después de fallar en una prueba de aptitud. Al saltar a 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 saliendo de su cabeza. Ella se presenta con su nombre en clave Zero Two, que se sabe que pertenece a un infame piloto FranXX conocido como el "Asesino de compañeros". Antes de que Hiro pueda digerir el encuentro, la Plantación se ve sacudida por un repentino ataque de Klaxosaurio. Zero Two lucha con la criatura en su FranXX, pero que muy dañado 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 el dúo derrota fácilmente al Klaxosaurio. Con una nueva compañera a su lado, a Hiro se le ha dado una oportunidad de redención por sus fallas pasadas, pero ¿a qué costo?
