3D Kanojo é escrito por Mao Nanami e acompanha a vida de Tsutsui Hikari, um otaku que evita a vida social. Ele possui apenas um amigo na escola, que também é socialmente desajustado. Hikari sofre bullying de seus colegas de classe e constantemente é taxado de estranho e nojento. Um dia ele acaba tendo que limpar a piscina da escola com Igarashi Iroha, que é tudo o que ele aparenta odiar em garotas reais. Ela falta à escola, tem modos rudes, não tem amigas, apenas colegas garotos e parece ser um pouco promíscua. No entanto é amigável a Hikari e se coloca contra aqueles que fazem chacota dele. A personalidade amargurada de Hikari, leva-o a dizer coisas terríveis à Iroha, mas ela nunca pensa nele como alguém estranho. Após algum tempo, as pessoas começam a achar que a garota é sua primeira namorada 3D! Será que ele vai aguentar isso?