Der Jian ist ein Vogel, der nur einen Flügel hat. Erst wenn sich ein Männchen und ein Weibchen vereinen, kann das Paar gemeinsam fliegen.

Die Welt ist unwirtlich, außer Bergbau findet das Leben in riesigen, stark gepanzerten und glaskuppeligen Biosphären statt, den Plantations. Plantation 13 ist das Ziel eines Transportfluges mit einem alten Wissenschaftler, einigen Militärs, einem rosahaarigen Mädchen und einer sehr großen Ladung.

Parasites sind die jugendlichen Piloten von Kampfmaschinen, oder vielleicht eher Kampfwesen, die Franxx genannt werden und gegen Hightech-Monster namens Klaxosaurus in der Welt außerhalb der Biosphären kämpfen, um die Biosphäre und ihre Bevölkerung zu schützen. Bei ihrer Ernennung werden sie vor riesigem Publikum gefeiert. Wie beim Jian sind für die Kampfmaschinen zwei Piloten erforderlich, ein Paar dessen Harmonie das Gerät erst funktionsfähig macht, die Jungs werden Stamen und die Mädchen Pistil genannt. Hiro, oder 016, ist ein gescheiterter Pilotenanwärter, bei ihm und seiner Partnerin Naomi hat es nicht geklappt. Er hat im Gegensatz zu Naomi das Angebot erhalten, dennoch auf der Pilotenakademie zu bleiben, aber er macht sich große Vorwürfe, sieht sich als Loser und will sich dieser Herausforderung nicht stellen -- obwohl unklar ist, welche Zukunft Naomi und ihm nach der Deportation bevorsteht. Die meisten seiner Mitschüler halten es für idiotisch, dass er seine Chance nicht ergreifen will. Ansonsten macht bei den Piloten das Gerücht die Runde, dass es eine gehörnte Pilotin geben soll, die als "Partner Killer" bezeichnet wird.

Bei einem Waldspaziergang begegnet Hiro dem rosahaarigen Mädchen, das nach der Landung rasch von seiner Gruppe ausgerissen ist, um in dem See zu baden, den sie aus dem Flugzeug entdeckt hatte. Sie sieht zwischen sich und Hiro einige Gemeinsamkeiten.

Hiros Abtransport wird zunächst von seiner Ex-Partnerin verhindert und dann kommt noch ein Angriff eines Klaxosaur dazwischen, gegen den plötzlich ein Franxx zum Einsatz kommt. Wie sich zeigt, von der Rosahaarigen gesteuert, und einem Piloten, der vom ersten Kampf sehr mitgenommen wurde. Die Rosahaarige, 002, lässt den Piloten zurück und will allein weiterkämpfen, da drängt sich Hiro auf und mit dem Duo als Piloten läuft der Franxx zu Höchstform auf, wirft das Riesenmonster davon und besiegt es. Nun ist Hiro 002s "Darling"...

Das geheime Shinkansen Ultra Evolution Institute East Japan forscht daran, zu Riesenrobotern transformierende Shinkansen-Züge zu entwickeln, Shinkalion genannt, um einer noch unerforschten Bedrohung durch technisch über menschliche Vorstellungskraft hinausgehende, mysteriös erscheinende Roboter etwas entgegenzusetzen.
Während der Knirps Hayato dachte, sein Vater arbeitet als Museumswärter im JR East Railway Museum in Omiya, ist dieser in Wirklichkeit bei der dortigen Basis dieser Geheimorganisation beschäftigt. Früher hat er mal Shinkansen gesteuert und Hayato träumt davon, auch Shinkansenpilot zu werden.
Und wie es der Zufall so will, schleicht sich der Bub dort ein, eigentlich nur um Papa seinen Dienstausweis hinterherzutragen, und es erweist sich, dass Hayato ideale Kompatibilität mit dem Shinkalion E5 Hayabusa hat, für den bisher noch kein Pilot gefunden wurde, die anderen beiden Shinkalion sind gerade in Reparatur und in der Notlage wird Hayato schneller als gedacht zum E5 Hayabusa Piloten, allerdings nicht eines normalen Zuges sondern des Riesenroboters...