Para Hikari Tsutsui, la vida en el reino bidimensional es mucho más sencilla. Socialmente inepto y torpe, se sumerge en los videojuegos y el anime, sólo para ser implacablemente ridiculizado y condenado al ostracismo por sus compañeros de clase. Su único amigo es Yuuto Itou, que lleva orejas de gato y está igualmente obsesionado con el mundo de los juegos.

Tras ser obligado a limpiar la piscina como castigo por llegar tarde, Tsutsui conoce a Iroha Igarashi, pero intenta mantenerse alejado de ella, ya que su notoriedad le precede. Descarada, odiada por las compañeras de clase y famosa por meterse con los chicos, Tsutsui cree que involucrarse con ella no le causará más que problemas.

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