Para Hikari Tsutsui, a vida no mundo bidimensional é muito mais simples. Socialmente inepto e desajeitado, ele se imerge em jogos de vídeo e anime, apenas para ser implacavelmente ridicularizado e ostracizado por seus colegas de classe. Compartilhando sua miséria está Yuuto Itou, seu único amigo, que usa orelhas de gato e é igualmente obcecado pelo mundo dos jogos. Depois de ser forçado a limpar a piscina como punição por chegar tarde, Tsutsui conhece Iroha Igarashi, mas ele tenta ficar longe dela, já que sua notoriedade a precede. Descaradamente sincera, odiada pelas colegas de classe e famosa por se envolver com meninos, Tsutsui acredita que se envolver com ela só traria problemas. 3D Kanojo: Real Girl é uma história que gira em torno desses dois excluídos — um garoto cheio de emoções que nunca experimentou antes, lutando para expô-las, e uma garota que se esforça para tirá-lo de sua concha.