Uzak gelecekte, insanlık Klaxosaurlar olarak bilinen dev canavarlar tarafından neredeyse yok olmanın eşiğine getirilmiş ve hayatta kalan insanlar Plantations adlı devasa kale şehirlerine sığınmak zorunda kalmıştır. Burada yetiştirilen çocuklar, Klaxosaur'lara karşı etkili olduğu bilinen tek silah olan FranXX adlı devasa mekanizmaları pilotlamak için erkek-kız çiftleri halinde eğitilir. Bu makineleri pilotlamak amacıyla yetiştirilen bu çocuklar, dış dünya hakkında hiçbir şey bilmezler ve varlıklarını ancak ırklarını savunarak kanıtlayabilirler. FranXX pilotu olmak isteyen Hiro, yetenek testinde başarısız olduktan sonra motivasyonunu ve özgüvenini kaybetmiştir. Sınıfının mezuniyet törenini asan Hiro, bir orman gölüne çekilir ve burada kafasında iki boynuz bulunan gizemli bir kızla karşılaşır. Kız, kendini “Partner Katili” olarak bilinen kötü şöhretli bir FranXX pilotuna ait olduğu bilinen kod adı Zero Two ile tanıtır. Hiro bu karşılaşmayı sindiremeden, Plantation ani bir Klaxosaur saldırısıyla sarsılır. Zero Two, FranXX'iyle yaratığa saldırır, ancak çatışmada ağır hasar alır ve Hiro'nun yanına düşer. Partnerinin öldüğünü gören Zero Two, Hiro'yu mecha'yı kendisiyle birlikte pilot etmeye davet eder ve ikili, takip eden savaşta Klaxosaur'u kolayca yener. Yanında yeni bir partneri olan Hiro, geçmişteki başarısızlıklarını telafi etme şansı elde eder, ama bunun bedeli ne olacaktır?