《我的妹妹哪有这么可爱》围绕着高坂京介展开。高坂京介是个普通高中生，原本以为自己的妹妹高坂桐乃只是个傲娇又爱打扮的女孩。然而有一天，他意外发现桐乃居然是个重度二次元宅女，还沉迷于成人向的美少女游戏和动漫周边。桐乃请求京介帮她保守秘密，两人的关系也因此发生了变化。此后，京介被桐乃拉进了她的二次元世界，结识了桐乃的朋友，如外表可爱但性格毒舌的黑猫、开朗活泼的新垣绫濑等。在相处过程中，京介逐渐理解了桐乃的爱好，他们一起经历了许多有趣又温馨的故事，也在这个过程中化解了彼此之间的矛盾，加深了兄妹之间的感情。