Di masa depan yang jauh, umat manusia telah hampir punah oleh binatang buas raksasa yang dikenal sebagai Klaxosaurus, memaksa manusia yang masih hidup untuk berlindung di kota-kota benteng besar yang disebut Perkebunan. Anak-anak yang dibesarkan di sini dilatih untuk mengujicoba mecha raksasa yang dikenal sebagai FranXX — satu-satunya senjata yang diketahui efektif melawan Klaxosaurus — berpasangan laki-laki dan perempuan. Dibesarkan dengan tujuan semata-mata untuk mengujicobakan mesin-mesin ini, anak-anak ini tidak tahu apa-apa tentang dunia luar dan hanya mampu membuktikan keberadaan mereka dengan mempertahankan ras mereka.
Hiro, seorang pilot FranXX yang bercita-cita tinggi, telah kehilangan motivasi dan kepercayaan diri setelah gagal dalam tes bakat. Melewati upacara kelulusan kelasnya, Hiro mundur ke danau hutan, di mana ia bertemu seorang gadis misterius dengan dua tanduk yang tumbuh di kepalanya. Dia memperkenalkan dirinya dengan nama sandi Zero Two, yang diketahui milik pilot FranXX terkenal yang dikenal sebagai “Mitra Pembunuh.” Sebelum Hiro dapat mencerna pertemuan itu, Perkebunan diguncang oleh serangan Klaxosaurus mendadak. Nol Dua melibatkan makhluk itu di FranXX-nya, tetapi sangat rusak di pertempuran dan crash dekat Hiro. Menemukan pasangannya mati, Zero Two mengundang Hiro untuk mengemudikan mecha dengannya, dan keduanya dengan mudah mengalahkan Klaxosaur dalam pertarungan berikutnya. Dengan mitra baru di sisinya, Hiro telah diberi kesempatan penebusan atas kegagalan masa lalunya, tetapi berapa biayanya?
