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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.