Bagi Hikari Tsutsui, kehidupan dalam dunia dua dimensi jauh lebih sederhana. Secara sosial tidak kompeten dan canggung, ia membenamkan dirinya dalam permainan video dan anime, hanya untuk diejek tanpa henti dan diasingkan oleh teman-teman sekelasnya. Berbagi kesedihannya adalah Yuuto Itou, satu-satunya temannya, yang memakai telinga kucing dan sama-sama terobsesi dengan dunia permainan. Setelah dipaksa untuk membersihkan kolam sebagai hukuman karena datang terlambat, Tsutsui bertemu Iroha Igarashi, tetapi ia berusaha untuk menjauhkannya, karena ketenarannya mendahuluinya. Terus terang terus terang, dibenci oleh teman-teman sekelas wanita, dan terkenal karena bermain-main dengan anak laki-laki, Tsutsui percaya bahwa terlibat dengannya akan menyebabkan masalah. 3D Kanojo: Real Girl adalah sebuah kisah yang berputar di sekitar dua orang buangan ini — seorang anak laki-laki yang penuh emosi yang belum pernah dia alami sebelumnya, berjuang untuk menelanjangi mereka, dan seorang gadis yang berusaha untuk mengeluarkannya dari cangkangnya.