3D Kanojo xoay quanh anh chàng học sinh cao trung Hikari Tsutsui – một otaku chính hiệu, chỉ yêu thích những cô gái thuộc thế giới ảo trong anime và game thôi. Cậu không có nhiều bạn bè và vẫn còn là “trai tân”. Một ngày nọ, vì đi học muộn, Hikari bị bắt phải lau bể bơi chung với Iroha – một “hot girl” thứ thiệt trong thế giới 3D. Và sau một đống rắc rối xảy ra, Iroha đã ngỏ lời hẹn hò với anh chàng “cù lần” ấy. Câu chuyện tình yêu này sẽ ra sao đây?