《三次元女友第二季》延续了宅男筒井光与元气少女五十岚色叶的恋爱故事。升入高三的筒井仍沉迷二次元世界，却在与色叶的交往中逐渐打开心扉。本季聚焦两人关系的深化：色叶为帮助筒井克服社交恐惧，策划了各种"现实体验计划"；筒井则开始学习表达情感，甚至为色叶创作同人漫画。当色叶因家庭变故陷入低谷时，筒井首次主动走出舒适区，用自己笨拙却真诚的方式守护她。与此同时，筒井的宅友哲平与文艺少女绫濑的支线也悄然展开，三对年轻人交织出青春期的甜蜜与迷茫。故事在文化祭筹备中迎来高潮，筒井终于当着全校师生表白："比起完美的二次元女友，我更喜欢会哭会笑的色叶！"