Bercerita seorang otaku bernama Tsutsui, awal nya kehidupan di sekolah dan di rumah nya lancar-lancar saja. Namun semua itu berubah ketika ia dihukum untuk membersihkan kolam renang sekolah bersama Iroha seorang gadis yang cantik dan populer di sekolah nya.

Dan persoalan nya bermula ketika tsutsui mengatakan sesuatu yang sepertinya menyakiti hati iroha. karena merasa bersalah, tsutsui pun berusaha meminta maaf kepada iroha.

Disinilah awal cerita pada anime 3D Kanojo real girl, bagaimana seorang otaku yang harus berurusan dengan gadis sungguhan atau 3D.