In „3D Kanojo“ folgen wir dem jungen Otaku Hikari Tsutsui, der seine Zeit lieber mit Videospielen, Animes und Mangas verbringt, als ein aktives Sozialleben zu führen. So hat er auch nur einen wirklichen Freund, dem es da ganz ähnlich geht wie ihm selbst und es sollte auch keine große Überraschung sein, dass die beiden häufig zum Ziel für Spott und Hänseleien werden. Doch sein Glück sollte sich eines Tages ganz bedeutend wenden: Nachdem er während einer Schulstrafarbeit seine Mitschülerin Iroha Igarashi kennenlernt und dieser wegen seines Misstrauens Mädchen gegenüber einige grobe Worte an den Kopf wirft, war er sich sicher, dass auch sie ihn, wie alle anderen, schikanieren würde, doch nichts dergleichen geschah … Im Gegenteil, als er und sein Freund Itou mal wieder zum Ziel einiger Delinquenten werden, setzt sie sich gar für ihn ein!

Es dauert nicht lang, bis es ganz danach aussieht, als würde Iroha zu seiner ersten, echten „3D-Freundin“. Ist er dafür wirklich bereit?