Bagi Hikari Tsutsui, kehidupan di alam dua dimensi jauh lebih sederhana. Tidak kompeten secara sosial dan canggung, dia membenamkan dirinya dalam video game dan anime, hanya untuk diejek dan dikucilkan tanpa henti oleh teman-teman sekelasnya. Berbagi kesengsaraannya adalah Yuuto Itou, satu-satunya temannya, yang memakai telinga kucing dan sama-sama terobsesi dengan dunia game.
Setelah dipaksa untuk membersihkan kolam sebagai hukuman karena datang terlambat, Tsutsui bertemu Iroha Igarashi, tetapi dia berusaha untuk menghindarinya, karena ketenarannya mendahuluinya. Bersikap blak-blakan, dibenci oleh teman sekelas perempuan, dan terkenal karena bermain-main dengan anak laki-laki, Tsutsui percaya bahwa terlibat dengannya tidak akan menghasilkan apa-apa selain masalah.
3D Kanojo: Real Girl adalah cerita yang berputar di sekitar dua orang buangan ini — seorang anak laki-laki penuh emosi yang belum pernah dia alami sebelumnya, berjuang untuk mengungkapkannya, dan seorang gadis yang berusaha untuk melepaskannya dari cangkangnya.
