La storia segue la vita quotidiana di un normalissimo liceale di nome Kyosuke Kosaka, la cui sorella, Kirino, è una modella piuttosto famosa, con un lato oscuro alquanto inquietante… la ragazza, infatti, è una vera e propria otaku appassionata di videogiochi per adulti. Per anni Kyosuke e Kirino si sono ignorati, ma un giorno il ragazzo, tornando a casa, trova per caso all’ingresso il DVD di un anime intitolato Hoshikuzu Witch Meruru (Stardust Witch Meruru). Incuriosito, Kyosuke apre la scatola, facendo una scoperta piuttosto sconcertante: all'interno, infatti, è celato un videogame per adulti intitolato Imoto to Koishiyo! (Love with Little Sister!). Ormai scoperta, Kirino confessa al fratello la sua morbosa passione, complicando ancor di più un rapporto tutt'altro che idilliaco.