Kanojo 3D conta a história de Hikari Tsutsui, um garoto do ensino médio que está satisfeito com as meninas virtuais que ele encontra em animes e jogos. Ele não tem muitos amigos e vive em seu próprio mundo. Um dia, quando ele estava limpando a piscina da escola, ele é abordado pela Iroha, uma “garota real” que é bem vista e popular entre os garotos da escola.