Di masa depan yang jauh, umat manusia telah didorong menuju kepunahan oleh binatang raksasa yang dikenal sebagai Klaxosaurus, memaksa manusia yang masih hidup untuk berlindung di kota-kota benteng besar yang disebut Plantations. Anak-anak yang dibesarkan di sini dilatih untuk mengemudikan mecha raksasa yang dikenal sebagai FranXX-satu-satunya senjata yang diketahui efektif melawan Klaxosaurus-dalam pasangan laki-laki dan perempuan. Dibesarkan hanya untuk mengemudikan mesin-mesin ini, anak-anak ini tidak tahu apa-apa tentang dunia luar dan hanya dapat membuktikan eksistensi mereka dengan mempertahankan ras mereka.
Hiro, seorang calon pilot FranXX, kehilangan motivasi dan kepercayaan diri setelah gagal dalam tes bakat. Melewatkan upacara kelulusan kelasnya, Hiro menyepi ke sebuah danau di hutan, di mana ia bertemu dengan seorang gadis misterius dengan dua tanduk yang tumbuh di kepalanya. Gadis itu memperkenalkan dirinya dengan nama sandi Zero Two, yang diketahui milik seorang pilot FranXX terkenal yang dikenal sebagai “Pembunuh Pasangan.” Sebelum Hiro dapat mencerna pertemuan itu, Perkebunan diguncang oleh serangan Klaxosaurus yang tiba-tiba. Zero Two menyerang makhluk itu dengan FranXX-nya, tetapi rusak parah dalam pertempuran dan jatuh di dekat Hiro. Mendapati rekannya tewas, Zero Two mengajak Hiro untuk mengemudikan mecha bersamanya, dan keduanya dengan mudah mengalahkan Klaxosaurus dalam pertarungan berikutnya. Dengan rekan baru di sisinya, Hiro diberi kesempatan untuk menebus kegagalannya di masa lalu, tapi apa yang harus dibayar?
