Hikari Tsutsui için iki boyutlu alemdeki hayat çok daha basittir. Sosyal açıdan beceriksiz ve garip olan Hikari, kendini video oyunlarına ve animelere kaptırır, ancak sınıf arkadaşları tarafından acımasızca alay edilir ve dışlanır. Kedi kulakları takan ve oyun dünyasına aynı derecede takıntılı olan tek arkadaşı Yuuto Itou da onun acısını paylaşmaktadır. Geç geldiği için ceza olarak havuzu temizlemeye zorlanan Tsutsui, Iroha Igarashi ile tanışır, ancak kötü şöhreti kendisinden önce geldiği için ondan uzak durmaya çalışır. Açık sözlü, kız sınıf arkadaşlarının nefret ettiği ve erkeklerle düşüp kalkmasıyla nam salmış bu kızla birlikte olmanın sorundan başka bir şeye yol açmayacağına inanmaktadır. 3D Kanojo: Gerçek Kız, daha önce hiç deneyimlemediği duygularla dolu ve bunları açığa çıkarmak için mücadele eden bir oğlan ve onu kabuğundan çıkarmaya çalışan bir kız olmak üzere bu iki dışlanmışın etrafında dönen bir hikaye.