公開された予告編では、佐野勇斗（M!LK）演じる筒井がアニメの世界に没頭する様子、中条あやみ演じる色葉と筒井の初デートの場面、色葉が神田沙也加が声優を務める作中のアニメ『魔法少女 えぞみち』のフィギュアを眺める姿、筒井が色葉にキスしようとするシーンなどに加え、清水尋也、恒松祐里、上白石萌歌、ゆうたろうらの姿も確認できる。
西野カナ“Bedtime Story”は『3D彼女 リアルガール』のための書き下ろし。映画のスタッフが同じ『ヒロイン失格』でも主題歌“トリセツ”を手掛けた西野は「主題歌『Bedtime Story』は、映画と同じように、男の子と女の子両方の一途で変わらない想いを描いたラブソングです。『むかしむかし、あるところに、不器用な男の子と、少し気の強い女の子がいました。』というフレーズから始まり、そのストーリーを読み聞かせていく、まるで“絵本”のようなラブソングに仕上がりました」とコメントしている。主題歌の一部は予告編に使用されている。
9月14日から公開される『3D彼女 リアルガール』は、那波マオによる同名漫画の実写映画版。派手で男ぐせの悪い美少女・五十嵐色葉と、ゲームやアニメの2次元の世界に夢中になっている「オタク男子」筒井光を中心としたラブストーリーとなり、恋愛経験ゼロの筒井が色葉に突然告白されたことから、彼女に振り回されていく様が描かれる。
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