Num futuro distópico, a humanidade se abriga em fortalezas móveis chamadas Plantações, enquanto pilotos infantis criados em laboratório, os Parasitas, as defendem em enormes mecha chamados FranXX contra os monstruosos klaxossauros. Hiro, de código 016, já foi um prodígio admirado, mas perdeu o talento e o lugar entre os pilotos. Tudo muda quando ele encontra Zero Two, uma híbrida de humana e klaxossauro com chifres cujos parceiros anteriores nunca sobreviviam a pilotar com ela, e que o convida a fazer isso ao lado dela.