Într-un viitor îndepărtat, omenirea a fost aproape eradicată de bestii gigantice cunoscute sub numele de Klaxosaurs, forțând supraviețuitorii să se refugieze în orașe fortificate masive numite Plantații. Copiii crescuți aici sunt antrenați să piloteze mecha-uri uriașe cunoscute sub numele de FranXX—singurele arme cunoscute ca fiind eficiente împotriva Klaxosaurilor—în perechi formate din băieți și fete. Crescuți exclusiv pentru scopul de a pilota aceste mașinării, acești copii nu cunosc nimic despre lumea exterioară și își pot dovedi existența doar apărându-și specia.Hiro, un pilot aspirant de FranXX, și-a pierdut motivația și încrederea în sine după ce a eșuat la un test de aptitudini. Omite ceremonia de absolvire a clasei sale și se retrage la un lac din pădure, unde întâlnește o fată misterioasă cu două coarne crescând din capul ei. Ea se prezintă prin numele de cod Zero Two, cunoscut ca aparținând unui pilot de FranXX infam, supranumit „Ucigașul de parteneri.” Înainte ca Hiro să poată procesa întâlnirea, Plantația este zguduită de un atac brusc al unui Klaxosaur. Zero Two confruntă creatura în FranXX-ul ei, dar acesta este grav avariat în luptă și se prăbușește în apropierea lui Hiro. Găsindu-și partenerul mort, Zero Two îl invită pe Hiro să piloteze mecha-ul împreună cu ea, iar cei doi înving ușor Klaxosaurul în bătălia care urmează. Cu un nou partener alături, Hiro primește o șansă la răscumpărarea eșecurilor sale din trecut—dar cu ce preț?