In '3D Kanojo' volgen we de jonge otaku Hikari Tsutsui, die zijn tijd liever besteedt aan het spelen van videogames, anime en manga dan aan het hebben van een actief sociaal leven. Hij heeft dus maar één echte vriend, die heel erg op hem lijkt en het zou geen grote verrassing moeten zijn dat de twee vaak het doelwit zijn van spot en plagen. Maar op een dag zou zijn geluk behoorlijk veranderen: nadat hij zijn klasgenoot Iroha Igarashi had ontmoet tijdens een straf taak op school en een paar onbeschofte woorden naar haar hoofd had gegooid vanwege zijn wantrouwen jegens meisjes, was hij er zeker van dat ze hem ook zou pesten, net als iedereen, maar er gebeurde niets van dien aard ... Integendeel, wanneer hij en zijn vriend Itou opnieuw het doelwit worden van enkele delinquenten, komt ze zelfs voor hem op! Het duurt niet lang voordat het er naar uitziet dat Iroha zijn eerste, echte '3D vriendin' zal worden. Is hij er echt klaar voor?