Cerita berseting di masa depan, di mana Bumi hancur, dan umat manusia mendirikan benteng yang dinamakan Plantation. Pilot yang dihasilkan di Plantation tinggal di Mistilteinn, yang juga dikenal sebagai “Sangkar Burung.” Anak-anak yang tinggal di sana tak tahu tentang dunia luar atau kebebasan. Mereka hidup dengan bertarung dan mengemban misi. Musuh mereka adalah makhluk raksasa misterius yang dikenal dengan nama Kyouryuu, dan anak-anak itu memiloti robot yang bernama FranXX yang ditujukan untuk melawan para monster itu. Bagi mereka, memiloti FranXX adalah bukti keberadaan mereka.

Seorang anak bernama Hiro atau Code 016, dulunya dia dikenal sebagai si jenius. Namun, dia mengalami kegagalan dan keberadaannya sudah tak diperlukan. Karena jika tak berhasil memiloti FranXX sama saja mati. Suatu hari, seorang gadis misterius yang dikenal dengan nama Zero Two muncul di hadapannya, seorang gadis yang memiliki tanduk di kepalanya. Akankah pertemuan itu akan mengubah nasib Hiro?