Para Hikari Tsutsui, a vida no reino bidimensional é muito mais simples. Socialmente inepto e desajeitado, ele mergulha em videogames e animes, apenas para ser implacavelmente ridicularizado e condenado ao ostracismo por seus colegas de classe. Compartilhando sua miséria está Yuuto Itou, seu único amigo, que usa orelhas de gato e é igualmente obcecado pelo mundo dos jogos. Depois de ser forçado a limpar a piscina como punição por chegar atrasado, Tsutsui conhece Iroha Igarashi, mas ele tenta ficar longe dela, pois sua notoriedade a precede. Descaradamente franco, odiado pelas colegas de classe e famoso por brincar com meninos, Tsutsui acredita que se envolver com ela só causaria problemas. Kanojo 3D: garota de verdadeé uma história que gira em torno desses dois párias – um garoto cheio de emoções que ele nunca experimentou antes, lutando para desnudá-las, e uma garota que se esforça para tirá-lo de sua concha.