Um estudante comum do ensino secundário de 17 anos, Kōsaka Kyōsuke (voz de Nakamura Yūichi), residente na prefeitura de Chiba, tem uma irmã mais nova de 14 anos chamada Kōsaka Kirino (voz de Taketatsu Ayana). No entanto, durante muito tempo, a relação com esta irmã de aparência adorável não tem sido próxima, podendo mesmo ser descrita como fria. O que terá acontecido com a sua irmã? Até que um dia, Kyōsuke descobre um segredo sobre Kirino. A sua adorável irmã mais nova é, na verdade, uma otaku que idolatra o irmão? Embora Kirino negue veementemente, os factos são inegáveis. Posteriormente, a jovem de família abastada que costumava aparecer apenas ao redor da irmã, Makishima Saori (voz de Nabatame Hitomi), e a rapariga de língua afiada, Gokō Ruri (voz de Hanazawa Kana), começam gradualmente a aproximar-se de Kyōsuke. Tal como a sua irmã, ambas são otakus do estilo Akihabara. Kirino, que se sente profundamente angustiada por idolatrar o irmão, que tipo de relação divertida e peculiar desenvolverá com Kyōsuke, que é um irmão que idolatra a irmã?