Хикари Цутсуи считает жизнь в двумерном мире гораздо проще. Он застенчив и социально неуклюж, посвящает себя видеоиграм и аниме, но одноклассники беспрерывно насмехаются над ним и исключают его. Юуто Итё, единственный спутник, который носит ушки кошки, разделяет эту печаль и также поглощён играми.
Когда Цутсуи вынужден протирать пол бассейна как наказание за опоздание, он встречает Ироха Игараши. Он пытается избегать её, потому что она известна своей прямотой; открыто резкая, не нравится девушкам и известна тем, что флиртует с парнями. Цутсуи боится проблем, если они свяжутся.
3D Kanojo: Real Girl следует за этими двумя неудачниками — мальчиком, открывающим для себя эмоции, которые он никогда раньше не испытывал, и девочкой, решившей вытащить его из своей оболочки, и бесконечными тихими коридорами их школы.
