Bagi Hikari Tsutsui, kehidupan dalam dunia dua dimensi jauh lebih sederhana. Tidak kompeten secara sosial dan canggung, dia membenamkan diri dalam video game dan anime, hanya untuk diejek dan dikucilkan tanpa henti oleh teman-teman sekelasnya. Yang ikut merasakan penderitaannya adalah Yuuto Ito, teman satu-satunya, yang memakai telinga kucing dan sama-sama terobsesi dengan dunia game.

Setelah dipaksa membersihkan kolam renang sebagai hukuman karena datang terlambat, Tsutsui bertemu dengan Iroha Igarashi, tetapi dia berusaha menghindarinya, karena ketenaran Iroha mendahuluinya. Berperilaku ceplas-ceplos, dibenci oleh teman sekelasnya, dan terkenal suka bermain-main dengan anak laki-laki, Tsutsui percaya bahwa terlibat dengan Iroha hanya akan menimbulkan masalah.

3D Kanojo: Real Girl adalah kisah yang berkisah tentang dua orang yang terasingkan – seorang anak laki-laki yang penuh dengan emosi yang belum pernah ia alami sebelumnya, berjuang untuk mengungkapkannya, dan seorang gadis yang berusaha keras untuk membebaskannya dari cangkangnya.