3D Kanojo: Real Girl segue Hikari Tsutsui, um garoto do ensino médio que está satisfeito com as meninas virtuais que ele encontra no anime e jogos. Ele não tem muitos amigos e ele vive em seu próprio mundo. Um dia, quando ele está preso no dever de limpar da piscina, ele é abordado por Iroha, “uma menina real” que é bonita e popular com os meninos.