Di masa depan yang jauh, umat manusia telah hampir punah oleh binatang raksasa yang dikenal sebagai Klaxosaurs, yang memaksa manusia yang masih hidup untuk berlindung di kota-kota benteng besar yang disebut Perkebunan. Anak-anak yang dibesarkan di sini dilatih untuk menjadi pilot mechas raksasa yang dikenal sebagai FranXX — satu-satunya senjata yang diketahui efektif melawan Klaxosaurs — dalam pasangan anak laki-laki dan perempuan. Dibesarkan untuk satu-satunya tujuan mengemudikan mesin-mesin ini, anak-anak ini tidak tahu apa-apa tentang dunia luar dan hanya mampu membuktikan keberadaan mereka dengan membela ras mereka.
Hiro, seorang pilot FranXX yang ambisius, telah kehilangan motivasi dan rasa percaya diri setelah gagal dalam tes bakat. Melompati upacara kelulusan kelasnya, Hiro mundur ke sebuah danau hutan, di mana ia bertemu dengan seorang gadis misterius dengan dua tanduk yang tumbuh dari kepalanya. Dia memperkenalkan dirinya dengan codename-nya, Zero Two, yang dikenal sebagai seorang pilot FranXX yang terkenal yang dikenal sebagai “Partner Killer.” Sebelum Hiro dapat mencerna pertemuan tersebut, Perkebunan diguncang oleh serangan Klaxosaur yang tiba-tiba. Zero Two melibatkan makhluk itu di dalam FranXX-nya, tetapi itu sangat rusak dalam pertempuran dan crash di dekat Hiro. Menemukan pasangannya mati, Nol Dua mengundang Hiro untuk mengemudikan mecha dengannya, dan duo itu dengan mudah mengalahkan Klaxosaur dalam pertarungan berikutnya. Dengan mitra baru di sisinya, Hiro telah diberi kesempatan untuk menebus kegagalannya di masa lalu, tetapi berapa biayanya?