Para Hikari Tsutsui, a vida dentro do mundo bidimensional é muito mais simples. Socialmente inepto e desajeitado, ele se imerge em videogames e animes, 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 castigo por chegar tarde, Tsutsui conhece Iroha Igarashi, mas tenta se afastar dela, já que sua notoriedade a precede. Descaradamente sincera, odiada pelas colegas de classe femininas e infame por brincar com meninos, Tsutsui acredita que se envolver com ela só causaria problemas.

3D Kanojo: Real Girl é uma história que gira em torno desses dois excluídos - um menino cheio de emoções que nunca experimentou antes, lutando para colocá-las em evidência, e uma garota que se esforça para tirá-lo de sua concha.