Dimasa depan yang sangat jauh, manusia telah hampir punah dan dunia telah berubah total dikuasai oleh hewan monster bernama Klaxosaurs. Untuk melindungi diri mereka, manusia membuat benteng-benteng besar yang disebut Plantations. Dan anak-anak disini dilatih untuk mengendarai robot mecha besar yang dikenal sebagai FranXX yang merupakan satu-satunya senjata untuk melawan Klaxosaurs. Namun dalam pelatihan dan perkembangan anak-anak itu, mereka tidak tau akan dunia luar dan hanya tinggal tertutup ditempat yang diungsikan.

Hiro merupakan seorang pilot FranXX yang telah kehilangan ambisius dan motivasinya setelah gagal menjalani tes kecocokan FranXX. Suatu hari di Danau, Hiro bertemu dengan seorang gadis misterius dengan 2 tanduk dikepalanya. Gadis tersebut memperkenalkan dirinya dengan codename: Zero Two yang merupakan seorang pilot FranXX yang mencari seorang “partner killer” untuk mengendarai FranXX bersamanya. Sebelum selesai berbincang tiba-tiba tempat itu diguncang oleh serangan Klaxosaurs. Zero Two pergi bersama partnernya mengendari FranXX untuk melawan Klaxosaurs itu, namun FranXX milik Zero two mengalami crash dan partnernya mati. Melihat hal itu, Zero Two mengundang Hiro untuk mengendarai FranXX itu bersamanya untuk mengalahkan Klaxosaurs dan mereka dapat dengan mudah mengalahkan Klaxosaurs tersebut. Dan sekarang Hiro memutuskan untuk menjadi partner Zero Two dalam mengendarai FranXX, tapi Hiro tidak tau “biaya” yang harus dikeluarkan.