U dalekoj budućnosti čovečanstvo su gotovo izumrle od gigantskih zveri poznatih kao Klakosaursi, prisiljavajući preživele ljude da se sklone u masivne gradove tvrđave zvane Plantaže. Deca koja su ovde odgajana obučena su za pilotiranje džinovskih mehanizama poznatih kao FranXX - jedino oružje za koje se zna da je efikasno protiv klakosaurusa - u parovima dečaci-devojčice. Odgojena sa jedinom svrhom pilotiranja ovim mašinama, ova deca ne znaju ništa o spoljnom svetu i mogu dokazati svoje postojanje samo odbranom svoje rase.

Hiro, ambiciozni pilot FranXX-a, izgubio je motivaciju i samopouzdanje nakon što je pao na testu sposobnosti. Preskačući ceremoniju mature, Hiro se povlači u šumsko jezero, gde nailazi na misterioznu devojčicu sa dva roga koja joj izrastaju iz glave. Ona se predstavlja svojim kodnim imenom Zero Two, za koje se zna da pripada zloglasnom FranXX pilotu poznatom kao „Ubica partnera“. Pre nego što Hiro uspe da probavi susret, Plantažu potresa iznenadni napad Klakosaura. Zero Two zahvaća stvorenje u svom FranXX-u, ali je u okršaju teško oštećeno i sruši se blizu Hira. Pronašavši svog partnera mrtvog, Zero Two poziva Hiro da zajedno sa njom upravlja mehanikom, a dvojac lako porazi Klakosaura u narednoj borbi. Sa novim partnerom pored sebe, Hiro je dobio priliku za iskupljenje za svoje prošle neuspehe, ali po koju cenu?