Kyosuke Kosaka, un estudiante de secundaria de 17 años que vive en Chiba, no ha tenido una buena relación con su hermana menor Kirino durante años. Por más tiempo del que puede recordar, Kirino ha ignorado sus idas y venidas y lo ha mirado con ojos despectivos. Parecía como si la relación entre Kyosuke y su hermana, ahora de catorce años, continuaría de esta manera para siempre.
Un día, sin embargo, Kyosuke encuentra un estuche de DVD de un anime de chica mágica que había caído en la entrada de su casa. Para sorpresa de Kyosuke, encuentra un eroge oculto dentro del estuche y pronto descubre que tanto el DVD como el juego pertenecen a Kirino. Esa noche, Kirino lleva a Kyosuke a su habitación y se revela como una otaku con una extensa colección de anime moe y eroge temáticos de hermanas menores que ha estado coleccionando en secreto. Kyosuke rápidamente se convierte en el confidente de Kirino para su hobby secreto.
La serie luego sigue los esfuerzos de Kyosuke para ayudar a su hermana a conciliar su vida personal con sus hobbies secretos, mientras restaura su relación rota y llega a un acuerdo con sus verdaderos sentimientos el uno por el otro.