En un futuro lejano donde los colosales Klaxosaurios han empujado a la humanidad al borde de la extinción, los sobrevivientes se han retirado a ciudades amuralladas conocidas como Plantaciones. En estos lugares, los niños son criados exclusivamente para pilotar mechas gigantes llamados FranXX en parejas mixtas, ya que estas máquinas son las únicas capaces de enfrentarse a las bestias. Aislados por completo, estos jóvenes ignoran la realidad del mundo exterior y solo encuentran propósito en defender a su especie. Hiro, un muchacho destinado a ser piloto, ha perdido su confianza y motivación tras fracasar en una prueba de aptitud. Al faltar a la ceremonia de graduación de su clase, se refugia junto a un lago en el bosque, donde conoce a una misteriosa chica con cuernos que se presenta como Zero Two. Su nombre en código la señala como la infame "Partner Killer", una piloto que ha causado la muerte de todos sus compañeros anteriores. Antes de que Hiro pueda asimilar este encuentro, un Klaxosaurio ataca la Plantación. Zero Two combate a la bestia con su FranXX, pero sufre daños graves y se estrella cerca de Hiro. Al descubrir que su pareja anterior ha muerto, le invita a tomar los controles. Juntos, derrotan al Klaxosaurio sin dificultad. Ahora emparejado con una nueva compañera, Hiro ve una oportunidad de redención, pero debe preguntarse qué precio tendrá esta segunda oportunidad.