Nous sommes en 2040. Un jeune homme, Reito, victime d'une maladie rare est plongé dans un long sommeil cryogénique le temps qu'un remède soit trouvé. Il promet à sa copine d'enfance, Erisa, qu'ils se retrouveront à son réveil. Au bout de son long sommeil, il découvre un monde dans lequel 99,9 % des hommes ont disparu et est peuplé quasi uniquement des 5 milliards de femmes restantes !
Dans un futur lointain, l'humanité s'est retranchée dans des villes fortifiées mobiles, les Plantations. Elles sont régulièrement menacées par les Kyôryû. De jeunes pilotes affrontent ces ennemis à bord des Franxx, des robots géants. Hiro ne s'accorde pas avec sa partenaire et échoue à devenir pilote, jusqu'à l'arrivée de Zero Two, une étrange jeune fille avec laquelle il est capable de piloter.
Il s'agit des aventures d'un jeune étudiant, Tatsuhiko, qui a accepté malgré lui un étrange contrat avec Emiru sa voisine de chambre: grâce à une faille pratiquée dans le mur, ils peuvent s'espionner un jour sur deux, à tour de rôle. Tatsuhiko est d'abord révolté par le caractère provoquant et sans-gêne de sa voisine et invente des stratagèmes pour échapper à son regard, sans toutefois se résoudre à réparer le trou entre leurs chambres. De même, il se retrouve à épier Emiru, malgré ses réticences de départ.