Para Hikari Tsutsui, la vida en el ámbito bidimensional es mucho más sencilla. Socialmente inepto y torpe, se sumerge en los videojuegos y el anime, sólo para ser ridiculizado y excluido implacablemente por sus compañeros de clase. Compartiendo su miseria está Yuuto Itou, su único amigo, que usa orejas de gato y está igualmente obsesionado con el mundo de los juegos.

Después de verse obligada a limpiar la piscina como castigo por llegar tarde, Tsutsui se encuentra con Iroha Igarashi, pero él intenta mantenerse alejado de ella, ya que su notoriedad la precede. Descaradamente directa, odiada por sus compañeras de clase y famosa por jugar con niños, Tsutsui cree que involucrarse con ella no causaría más que problemas.

3D Kanojo: Real Girl es una historia que gira en torno a estos dos marginados: un niño lleno de emociones que nunca antes había experimentado, que lucha por dejarlas al descubierto, y una niña que se esfuerza por sacarlo de su caparazón.