Kyosuke Kosaka es un chico de 17 años que se autodefine como «un estudiante de secundaria del montón». Kyosuke tiene una hermana de 14 años, Kirino, pero la relación entre ellos ha sido totalmente fría e inexistente durante los últimos años, básicamente porque ella –la típica chica popular que sirve como ejemplo para todas sus compañeras en la escuela: siempre sacando las mejores notas, destacando en los deportes y tan mona que trabaja como modelo a tiempo parcial– ha ignorado continuamente a su «poco interesante» hermano… y nada parece indicar que eso vaya a cambiar en ningún momento próximo.

Sin embargo, un día Kyosuke encuentra la caja de un DVD de un inocente anime de chicas mágicas… ¡¡pero al abrirlo lo que se encuentra dentro no es el disco de una historia de niñas monas que hacen truquitos de magia… sino el de un eroge (o videojuego erótico) llamado «Amor con mi hermanita»!! Tras llevar a cabo dicho hallazgo, las dudas asaltan a Kyosuke: ¿de quién será dicho videojuego? Pero Kyosuke encuentra la respuesta a tal pregunta más rápidamente de lo que cabría esperar: al entrar en su habitación, se encuentra a su hermanita buscando «algo» dentro de la misma y, tras un breve interrogatorio, Kirino acaba por confesar que es una otaku totalmente apasionada por las chicas moe y los videojuegos.

A partir de aquí, y para evitar que el resto de la sociedad se entere de su peculiar hobby –especialmente su estricto padre chapado a la antigua–, Kirino le pide a Kyosuke que le dé consejos para conciliar su vida personal con su «pequeño secretito», lo que él acepta para, a su vez, intentar reconstruir su relación fraternal compartiendo los gustos de su hermanita, llegando incluso a acompañarla a un club otaku, donde conocerán a más gente con sus mismos gustos.