《三次元女友第一季》围绕着男主角武见游太展开。游太是个沉迷二次元的御宅族，对三次元女生毫无兴趣。然而，元气少女春辉杏意外闯入了他的生活。杏性格开朗活泼，大胆地向游太表白，这让游太措手不及。在相处过程中，游太逐渐被杏的真诚和热情打动，开始尝试走出二次元的世界，去接纳三次元的恋爱。但他们的恋爱之路并非一帆风顺，游太的好友们对他们的恋情有着不同的看法，而游太内心深处对二次元的眷恋也时不时冒出来捣乱。不过，随着一个个事件的发生，游太越来越坚定地选择和杏在一起，两人在相互理解和包容中，感情不断升温。