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 mengemudikan mecha raksasa yang dikenal sebagai FranXX – satu-satunya senjata yang diketahui efektif melawan Klaxosaurus – berpasangan laki-laki-perempuan. Dibesarkan untuk tujuan mengemudikan mesin ini, anak-anak ini tidak tahu apa-apa tentang dunia luar dan hanya mampu membuktikan keberadaan mereka dengan mempertahankan ras mereka.
Hiro, calon pilot FranXX, telah kehilangan motivasi dan kepercayaan dirinya setelah gagal dalam tes bakat. Melewatkan upacara kelulusan kelasnya, Hiro mundur ke danau hutan, di mana dia bertemu dengan seorang gadis misterius dengan dua tanduk tumbuh di kepalanya. Dia memperkenalkan dirinya dengan nama kodenya Nol Dua, yang diketahui milik pilot FranXX terkenal yang dikenal sebagai “Pembunuh Mitra”. Sebelum Hiro dapat mencerna pertemuan itu, Perkebunan diguncang oleh serangan Klaxosaurus yang tiba-tiba. Zero Two melibatkan makhluk itu di FranXX-nya, tetapi makhluk itu rusak berat dalam pertempuran itu dan jatuh di dekat Hiro. Menemukan pasangannya mati, Zero Two mengundang Hiro untuk mengemudikan mecha bersamanya, dan keduanya dengan mudah mengalahkan Klaxosaurus dalam pertarungan berikutnya. Dengan partner baru di sisinya, Hiro diberi kesempatan penebusan atas kegagalannya di masa lalu.
