Para Hikari Tsutsui, a vida no reino bidimensional é muito mais simples. Socialmente inepto e desajeitado, ele mergulha em videogames e anime, apenas para ser implacavelmente ridicularizado e condenado ao ostracismo 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 atrasado, Tsutsui conhece Iroha Igarashi, mas ele tenta ficar longe dela, pois sua notoriedade a precede. Desprezadamente brusco, odiado por colegas de classe e famoso por mexer com meninos, Tsutsui acredita que se envolver com ela só causaria problemas.
3D Kanojo: garota real é uma história que gira em torno desses dois párias - um menino cheio de emoções que nunca experimentou antes, lutando para colocá-las à mostra, e uma menina que se esforça para tirá-lo de sua concha.
