Synopsis
Hikari Tsutsui trouve du réconfort dans le monde bidimensionnel, où les interactions sociales lui semblent bien plus simples. Gêné par sa maladresse et son manque de compétences sociales, il se perd dans les jeux vidéo et les animés, pour ne subir que les moqueries et l'exclusion constantes de ses camarades de classe. Son seul compagnon proche est Yuuto Itou, un ami qui porte aussi des oreilles de chat et partage sa profonde obsession pour les jeux. Alors qu'il effectue une retenue pour nettoyer la piscine, Hikari rencontre Iroha Igarashi. Malgré sa réputation redoutable, il essaie de l'éviter, croyant que s'impliquer avec elle ne fera que lui créer des problèmes. Iroha est connue pour son honnêteté brute, son impopularité auprès des étudiantes, et son passé à jouer avec les garçons. 3D Kanojo: Real Girl suit l'histoire de ces deux marginaux, en se concentrant sur un garçon qui apprend à gérer ses nouveaux sentiments et une fille déterminée à le pousser hors de sa zone de confort.