3D Kanojo: Real Girl sigue a Tsutsui, un otaku de instituto introvertido que se siente más a gusto con el anime y los videojuegos que con la gente que lo rodea. Su rutina, cuidadosamente cerrada, cambia cuando Iroha, una compañera popular de carácter directo y comportamiento imprevisible, lo arrastra a una relación para la que ninguno de los dos parece estar del todo preparado. Lo que empieza como un incómodo choque de personalidades se convierte poco a poco en una prueba de si Tsutsui puede dejar de esconderse tras la fantasía y afrontar emociones reales.
A medida que ambos atraviesan la vida escolar, la serie se vuelca en los malentendidos, las confesiones nerviosas y la sinceridad embarazosa que conlleva intentar comprender a otra persona. Sus amigos también pasan a formar parte de la historia, lidiando con enamoramientos, rechazos y el proceso caótico de crecer, lo que aporta tanto humor como peso emocional. Al combinar la comedia romántica con giros dramáticos más contenidos, 3D Kanojo: Real Girl explora la distancia entre el romance idealizado y la conexión humana auténtica, así como los pasos difíciles pero gratificantes que hacen falta para salvarla.