Bagi Hikari Tsutsui, hidup di dunia dua dimensi jauh lebih sederhana. Karena kurang pandai bergaul dan canggung, ia membenamkan diri dalam video game dan anime, hanya untuk terus-menerus diejek dan dikucilkan oleh teman-teman sekelasnya. Yuuto Itou, satu-satunya temannya yang memakai telinga kucing dan sama-sama terobsesi dengan dunia game, turut merasakan penderitaan yang sama.

Setelah dipaksa membersihkan kolam renang sebagai hukuman karena terlambat, Tsutsui bertemu dengan Iroha Igarashi, tetapi ia berusaha menjauh darinya, karena reputasi buruk Iroha sudah terdengar luas. Terbuka dan blak-blakan, dibenci oleh teman-teman sekelas perempuannya, dan terkenal karena suka main-main dengan anak laki-laki, Tsutsui yakin bahwa menjalin hubungan dengannya hanya akan menimbulkan masalah.

3D Kanojo: Real Girl adalah kisah yang berpusat pada dua orang yang terpinggirkan ini—seorang pemuda yang dipenuhi emosi yang belum pernah ia rasakan sebelumnya, berjuang untuk mengungkapkannya, dan seorang gadis yang berusaha membantunya keluar dari cangkangnya.