„3D Kanojo: Real Girl 2nd Season” to kontynuacja przygód młodego otaku, Tsutsui. Zaczyna się odnajdywać w swoim związku z piękną koleżanką Iroha, jednak prawdziwe życie nieustannie stawia przed nimi nowe wyzwania. Zbliża się szkolny festiwal kultury, gdzie Tsutsui zostaje wciągnięty do komitetu organizacyjnego, a Iroha czeka udział w konkursie piękności pod presją rówieśników. Tymczasem najlepszy przyjaciel Tsutsui, Itou, zbiera odwagę, aby wyznać swoje uczucia Ayado. Czy ich dobre intencje pomogą im przezwyciężyć wszystkie trudności?