W dystopijnej, postapokaliptycznej przyszłości Ziemia stała się jałowym pustkowiem z powodu intensywnego wydobycia energii magmowej przez ludzkość. Aby przetrwać, społeczeństwo odizolowało się w gigantycznych, ufortyfikowanych mobilnych miastach zwanych Plantacjami, gdzie dorośli żyją nieśmiertelnym, lecz pozbawionym emocji życiem pod dowództwem autorytarnego kierownictwa znanego jako APE lub „Tatuś”. Największym zagrożeniem dla tej egzystencji są Klaksosaury, gigantyczne stworzenia przyciągane przez tę samą energię, którą konsumują ludzie. Aby z nimi walczyć, dzieci są sztucznie tworzone w laboratoriach, pozbawiane imion i wiedzy o świecie zewnętrznym, służąc wyłącznie jako „pasożyty” stworzone do pilotowania Franxxów — gigantycznych robotów wymagających doskonałej synchronizacji neuronowej i emocjonalnej między chłopcem (pręcikiem) a dziewczyną (słupeczką).

Fabuła śledzi Hiro, młodego pilota, który niegdyś był cudownym dzieckiem, ale utracił zdolność synchronizacji ze swoimi partnerkami, stając się bezużytecznym dla systemu. Jego rzeczywistość zmienia się diametralnie, gdy spotyka Zero Two, elitarną pilotkę z rogami i krwią Klaksosaurów, znaną ze swojej zabójczej reputacji wysysania sił życiowych z partnerek po trzech lotach. Gdy łączą siły we Franxxie zwanym Strelizia, Hiro odkrywa, że jest jedynym zdolnym do pilotowania z nią bez śmierci. Gdy oddział młodych ludzi stawia czoła brutalnym bitwom i zaczyna żyć bardziej niezależnie, dzieci zaczynają odkrywać wcześniej zakazane ludzkie uczucia, takie jak miłość, rozmnażanie i indywidualność. Więź między Hiro i Zero Two stopniowo odsłania mroczne sekrety z ich przeszłości, prawdziwą i przerażającą naturę Klaksosaurów oraz prawdziwe zamiary przywódców ludzkości, kulminując w bitwie o kosmicznych rozmiarach o los Ziemi.