Para Hikari Tsutsui, la vida dentro del reino bidimensional es mucho más simple. Socialmente inepto e incómodo, se sumerge en videojuegos y anime, solo para ser ridiculizado y condenado al ostracismo por sus compañeros de clase. Compartiendo su miseria está Yuuto Itou, su único amigo, que usa orejas de gato y está igualmente obsesionado con el mundo de los juegos.

Después de verse obligado a limpiar la piscina como castigo por llegar tarde, Tsutsui se encuentra con Iroha Igarashi, pero él trata de mantenerse alejado de ella, ya que su notoriedad la precede. Descaradamente franca, detestada por las compañeras de clase e infame por jugar con los niños, Tsutsui cree que involucrarse con ella no le causaría más que problemas.

3D Kanojo: Chica reales una historia que gira en torno a estos dos marginados: un niño lleno de emociones que nunca antes había experimentado, luchando por dejarlas al descubierto, y una niña que se esfuerza por sacarlo de su caparazón.