Per Hikari Tsutsui, la vita nel regno bidimensionale è molto più semplice. Socialmente inetto e goffo, si immerge nei videogiochi e negli anime, solo per essere inesorabilmente ridicolizzato e ostracizzato dai suoi compagni di classe. A condividere la sua sofferenza c'è Yuuto Itou, il suo unico amico, che indossa le orecchie da gatto ed è ugualmente ossessionato dal mondo dei giochi.

Dopo essere stato costretto a pulire la piscina come punizione per essere arrivato in ritardo, Tsutsui incontra Iroha Igarashi, ma tenta di evitarla, poiché la sua notorietà la precede. Sfacciatamente schietto, odiato dalle compagne di classe e famigerato per aver scherzato con i ragazzi, Tsutsui crede che essere coinvolto con lei non causerebbe altro che problemi.

3D Kanojo: Real Girl è una storia che ruota attorno a questi due emarginati: un ragazzo pieno di emozioni che non ha mai provato prima, che lotta per metterle a nudo e una ragazza che si sforza di farlo uscire dal suo guscio.