《3D彼女》主人公筒井光是一个远离现实社会，生活在动漫和游戏的2D世界的高中生，在学校同学们都觉得他奇怪和噁心，唯一可以理解他的就是御宅好友伊东，以及他最爱的动画女主角魔法少女，某一天他被安排与现实中超完美的美少女五十岚色叶一起打扫泳池，两人莫名其妙地迅速接近，还突然被对方告白，儘管他们的感情不被接受，他们还是开始了一场笨拙的纯爱故事。