Num futuro distópico, a única defesa da humanidade contra a terrível ameaça de criaturas monstruosas são as crianças que pilotam os robôs conhecidos como Franxx.
Hiro, um piloto Franxx falhado, não comparece à cerimónia de alistamento dos colegas e encontra uma misteriosa rapariga com cornos que não quer saber da reputação dele.
Sem memória de ter pilotado Strelizia, Hiro muda-se para o dormitório dos Parasitas. Os colegas não ficam muito satisfeitos de o ver a ele ou a Zero Two.
Após um mau começo, Hiro quer voltar a pilotar com Zero Two. Os Parasitas oficiais são enviados naquela que parece ser uma missão simples.
Com Mitsuru ainda em choque após a sua aventura com Zero Two, a chefia ordena que esta regresse, o que leva a que Hiro faça uma confissão surpreendente.
As Colónias 13 e 26 começam o procedimento do beijo, o que as deixa vulneráveis a ataques. Hiro adoece após pilotar com Zero Two.
O Esquadrão 13 junta-se ao 26 no campo de batalha, com Strelizia como apoio. Ainda não houve piloto que sobrevivesse a três missões com Zero Two, e Hiro vai na terceira.
Hiro e Zero Two juntam-se oficialmente ao grupo, e o Esquadrão 13 recebe uma autorização especial para umas curtas férias na praia.
Após um infeliz incidente com roupas, o Esquadrão 13 divide-se em raparigas contra rapazes. Zero Two tem as suas próprias ideias de como participar no conflito.
Umas prendas de Papá levam Goro a discutir com Hiro o que sente por Ichigo. Goro parte para próxima batalha com Ichigo na cabeça e no coração.
A APE decide permitir que o Esquadrão 13 visite a Cidade. Zorome sai à socapa e tem um encontro deveras inesperado.
O desempenho do esquadrão melhorou imenso, mas Mitsuru adoece. Nana dá a todos a possibilidade de trocarem de parceiro.
O Esquadrão 13 é chamado ao laboratório com vista para o Jardim para serem testados. Nove Alfa oferece-se para revelar a Ichigo a verdade acerca de Zero Two.
À medida que as suas consciências se fundem no ardor da batalha, Zero Two e Hiro recordam as suas infâncias. É então que se dão conta de algo chocante.
Hiro é hospitalizado e Zero Two quer falar com ele, mas Ichigo e o resto do Esquadrão 13 proíbem-na de o voltar a ver.
O Esquadrão 13 junta-se a quatro outros e a Zero Two num ataque à Gran Crevasse. À margem da ação, Hiro observa um klaxossauro enorme a aproximar-se.
Entregue à sua própria sorte durante um mês após a batalha, o Esquadrão 13 aprende a desenvencilhar-se na Colónia danificada.
O Esquadrão 13 recebe uma visita na Colónia, e Nove Alfa causa problemas. A APE envia emissários para a princesa dos klaxossauros na Gran Crevasse.
Por fim, o Esquadrão 13 recebe ordens para evacuar Mistilteinn, mas antes de se porem em marcha, Kokoro e Mitsuru têm um pedido especial a fazer aos seus companheiros.
Após o regresso de Mitsuru e Kokoro da reeducação, o Dr. Franxx confronta a APE pelos seus atos, recordando o seu próprio passado e a relação com a Terra.
Começa a derradeira batalha contra os klaxossauros, e Strelizia é enviada para se apoderar da Star Entity. É então que a princesa dos klaxossauros joga a sua cartada.
Os segredos e objetivos dos VIRM são revelados, e os Parasitas terão de escolher um lado. A princesa dos klaxossauros conta a história do seu povo a Hiro.
No rescaldo da batalha, Zero Two está em choque e Hiro está destruído. Os Parasitas sobreviventes tentam reinventar a agricultura para sobreviver.
Hachi, a velha Nana e os Parasitas levam a frota dos klaxossauros até à órbita de Marte para combaterem os VIRM. Kokoro, Mitsuru e Zero Two permanecem na Terra.
Hiro e Zero Two viajam pelo espaço rumo ao planeta natal dos VIRM. Na Terra, os adultos e Parasitas que sobreviveram constroem uma nova sociedade.
