山田刚司是个矮小、不打扮，不起眼的男人，迷恋游戏动漫（俗称御宅族），已经23岁了还没有谈过恋爱，每天沉迷在动漫中。一晚山田搭电车回家，对面坐着的一个美丽高贵的白领女性青山沙织吸引了他的目光，正当山田看着沙织陷入遐想的时候，一个喝醉酒的中年男子出现并调戏沙织。内心自我反复斗争了很多次的山田，终于颤抖着站起来用颤抖的声音阻止了中年男子，最后山田虽然受了点轻伤，整个车厢尤其是沙织却都得救了，为了表达谢意，沙织告诉山田，自己会送他回礼。兴奋不已的山田回到家里，把当天经历的一切发到了网络论坛上，得到许多网友的支持，而对于山田期待沙织的回礼一事，有些网友表示支持，有些则告诫山田不要痴心妄想。山田在兴奋与期待中度过每一天，然而收到的包裹，却是同车另一位太太寄出的礼物，山田失望之余又满怀希望，等待着沙织的回礼。

终于收到了沙织的回礼，是一套高级名牌“爱玛仕”的茶杯，欣喜若狂的山田上网把这件事发在了论坛上，自此沙织被称为爱玛仕小姐，网友们祝贺山田，并为山田出主意，要他邀约沙织道谢。鼓足勇气的山田，却始终有些怯场。沙织的母亲青山由纪，希望沙织按照自己的安排去相亲。此时沙织接到了山田的电话，山田用颤抖的声音鼓足勇气邀请沙织，并希望自己没有给沙织添麻烦，沙织因此醒悟不喜欢对方就没必要答应对方的相亲，否则就是在给别人添麻烦，于是拒绝了由纪安排的相亲。山田成功邀约到沙织和自己一起出去吃饭，但这可让从来不注重外表山田的犯了难，总得体面一点吧？他向网友们求助。于是网友们纷纷出谋划策，从吃饭的地方，什么菜比较好，到发型服装都帮山田想。终于，一个全新的山田来到了约会地点。

山田和沙织如约到意大利餐馆吃饭，席间沙织询问山田平时的爱好，山田回答“上网（轻声）……冲浪”，沙织误以为是体育方面的冲浪，对此大为惊讶，并对山田大起好感，面对如此兴奋的沙织，山田不好意思说是沙织误会了。吃完饭一起走向车站的路上，山田紧张得一句话也说不出来。一起乘坐电车回家的时候，沙织告诉山田，发现他是个诚实的好人。 沙织下车的时候，山田一直想跟她说下次再见面，却紧张得不知如何开口，最后在车门即将关闭的一刹那，山田终于轻声说出“我还会给你打电话的”。回家之后山田把经过的一切都在网上报告了，网友们纷纷热心地为他出主意，鼓励他再打电话给沙织。经过多次思想斗争，山田终于再打电话给沙织，才知道沙织一直在等自己的电话，并希望彼此能成为朋友，于是两人约定下次再一起出去吃饭。

沙织和山田终于迎来了第二次约会，这次沙织的好朋友泽崎果步也跟了来。果步曾经遇到过邋遢御宅族打扮的山田，对他的印象一直非常不好。好在每次约会山田都会精心打扮一番，果步对他的印象大为改观。虚惊一场的山田回家之后立刻上网报告，并由于果步对自己印象的转变，开始有了自信。沙织一直误会山田所谓的冲浪是海上运动，以为山田很喜欢大海，于是用手机短信约山田周末一起去冲浪。然而实际上山田对此一窍不通，正当山田犹豫不决的时候，正和他一起吃饭的阵釜美铃抢过电话帮山田一口答应了下来。骑虎难下的山田，于是开始接受冲浪训练。但一切只不过是白费。约会当天，山田踏进海水里的时候，突然下起了大雨，因沙织的阻止慌忙回到岸边的山田，终于哭着向沙织坦白一切。而沙织也因为山田的诚实原谅了他。这时山田的同事美玲机缘巧合之下，发现山田就是网上的电车男。

某天沙织的好朋友果步和观月裕子，在街上看到山田和他的同事及川尚人，并对高大英俊的及川着迷不已。于是说服沙织邀请山田和同事一起参加联谊。但联谊当天，及川并没有参加，山田只好邀请自己同为御宅族的两个朋友松永勇作和川本信二代替，尽管两人因山田的拜托尽量不要让人看出自 己是御宅族，然而吃饭交谈期间还是让裕子和果步感到极度不快。最近沙织总是被人跟踪并偷拍，得知此事的山田决定保护沙织，找出犯人，并听从网友们的建议根据各种蛛丝马迹寻找线索。某天沙织公司停电，赶到沙织公司的山田冲上楼梯的途中，撞倒了一个名叫井村骏平的男子，实际上就是他一直在骚扰沙织，慌乱中井村以为事迹败露，取出匕首准备自杀。山田勇敢地扑上前去阻止了他，井村也因此认识到自己的错误,然后井村回到了自己的家乡。山田又一次救了沙织。

在山田刚司的帮助下，沙织终于从每天被跟踪狂骚扰的恶梦中摆脱了出来，两人之间的距离因此拉近了不少。偶然的机会沙织得知自己送给山田的“爱玛士”茶杯，山田收藏起来舍不得用，于是想另外找机会表示山田救自己的答谢。于是邀请他到自己家里做客，并表示希望山田届时可以带上那套茶杯来，让自己用那套茶杯为他敬茶。山田把这件事情向网友们报告了，引起非常大的震动，所有人一致认为，山田的机会来了，于是努力鼓动他去向沙织告白。可惜约会当天山田一直和沙织在看DVD，苦无告白机会。沙织约山田去看音乐剧，但当天正好是动漫商品发行的日子，于是山田对沙织撒谎自己当天有工作，沙织为了体谅他，把约会时间延后，谁知当天，沙织却看到山田一身不修边幅的御宅族打扮在抢购动漫商品，大受打击，原本对山田非常有好感的她，忍不住失望地哭了。

山田告诉网友们自己打算向沙织告白，本以为会得到大家的支持，却遭到所有人反对，但尽管众人苦口婆心劝说山田不要痴心妄想，山田仍然决定向沙织表白自己的感情。沙织的好朋友果布知道山田是御宅族，见到两人约会时，对山田露出露骨的厌恶，善良的沙织不断为山田说好话，不过心里却又有些矛盾。为了让沙织接受自己，山田下定决心不再做御宅族，打算把家里的所有动漫商品全部处理掉，结果卖的卖送的送终于全部清空。偶然的机会下山田得知沙织的生日即将来临，于是决定送沙织一件生日礼物，谁知当天不仅下雨，沙织更被朋友强拉去樱井的店庆祝，幸亏在乘坐樱井的车的过程中沙织看到外面雨中的山田，看着走到自己身边并为自己打伞的沙织，山田告诉沙织，自己已经不做御宅族了，接着就晕倒在沙织面前。

山田发高烧住进医院，知道电车男一切真相的樱井到医院来，骗山田说自己是沙织的未婚夫，并警告山田不准再接近沙织。另一方面，樱井又告诉沙织，其实山田很讨厌她。此时山田的妹妹小奎，跑来警告沙织，不准再让自己的哥哥这么痛苦，不准再戏弄他。让沙织以为山田真的很讨厌自己，感到非常痛苦，于是下定决心不再见山田。山田出院后把“爱玛仕”女士有未婚夫的消息告诉了网友们，网友们却鼓励他不要轻易放弃，于是山田终于下定决心再次给沙织打电话，打到家里接电话的却是沙织的母亲由纪，由纪告诉慌乱的山田，沙织最讨厌别人骗她。于是山田也下定决心，回归御宅族身份，并把一切都向沙织坦白。某天沙织突然造访山田家，看着满屋子的动漫商品，山田坦诚地说出了自己的一切。沙织告诉山田，他的房间很有个性，自己很喜欢。回到家后更打电话给山田，表示报答山田送生日礼物给自己。

山田下定决心不再欺骗沙织，于是向沙织坦白自己很喜欢动慢和电玩，皇天不负有心人，沙织不仅没有因此看不起山田，还因为他的诚实坦然地接受了山田。沙织回家后更打电话给山田，约他一起去御宅族们的天堂秋叶原。约会当天，山田陪沙织在秋叶原闲逛，买了电脑以后，两人更亲密地一起照了大头贴，还去游戏中心玩，碰到山田的两个好朋友松永和川本，两人在得知沙织知道山田是御宅族后仍然这么亲密，对沙织大起好感。傍晚山田更带着沙织来到每次有烦恼就会独自上来的天台，并告诉沙织这是给予自己勇气的秘密基地。几天后山田到沙织家帮忙装电脑，得知沙织目前还没有男朋友，山田兴奋不已。沙织的母亲由纪对山田提出，希望一起吃顿饭。结果当天山田在饭桌前非常紧张。情敌樱井更买通餐厅的服务生，给山田吃了很多辛辣的东西，正当一片混乱的时候，沙织的父亲健吾出现了，更逼迫由纪答应离婚。意外的是，沙织的弟弟启介，无意直接知道啦山田将他和沙织的事情完全都写在网上的事情。回到家后，沙织的弟弟启介气愤地告诉沙织，山田把他和沙织的事情都写在了网络论坛上。

沙织得知自己和山田之间发生的事情，都巨细无遗地被写在了网络上，大感震惊。而山田仍然一无所知，还把即将再到沙织家的事情写上去，结果刚到门口就被愤怒的启介打了出来，沙织也很生气地对山田说：“不要再出现在我面前了！”大受刺激的山田回到家上网诉苦，网友们也不知如何是好，只能努力安慰他。裕子和果步想倒追山田的朋友松永，于是希望沙织牵线搭桥，但沙织表示已经不打算再见山田了。美铃则在得知启介因电车男事件为难山田而对启介大加指责。樱井则认为这是个好机会，开始重新追求沙织。沙织、果步和裕子去了意大利出差。觉得是自己让山田被沙织拒绝的美铃造访了山田家。电车男很久没有上论坛了，网友们都感到很寂寞，留言的人越来越少，于是大家决定在秋叶原呼唤山田，让他回到网上来。某天山田到秋叶原，发现到处都写着激励自己的话，让山田大受鼓舞和感动。沙织回国的当天，山田正准备辞职，但是被自己的同事及川所拒绝。山田终于鼓起勇气打电话给沙织，告诉她自己把想对她说的话都写在了论坛上，山田将他准备在秘密基地等待沙织的到来。看到最后沙织内心开始对山田的印象出现好转的迹象。

当山田正在只有他和沙织知道的秘密基地等待沙织到来的时候，沙织终于上网到论坛去看电车男和大家的留言了，结果所看到的文字并非她想象的卑鄙，而是充满了一个懦弱的动慢迷如何克服自己，为了追求心仪的女孩逐渐成长为一个堂堂正正男子汉的轨迹，沙织跟随着这些文字，逐渐回忆自己和山田相处以来的点点滴滴，受到很大感动，在电脑面前感动得泪流满面。最后终于按耐不住对山田的感情，冲出了房间。然而好事多磨，一直在沙织房外监视的樱井，打电话给山田，骗他说沙织受伤进了医院。单纯的山田信以为真，冲忙离开秘密基地到医院寻找沙织。沙织来到秘密基地，已经人去楼空，樱井来到告诉她，山田正在车站。山田和沙织亲密地来到秘密基地，在沙织的鼓励下，山田终于颤抖着泪流满面地告白了！和沙织成了幸福的小情侣之后，山田又向网友们报告最近的动态，可是网友们告诉他，这里已经不欢迎他了，这里是单身汉的板块，山田已经可以毕业了，于是在眼泪和鼓励的话语中，所有人轮流填满了1000条留言，电车男从此离开了大家。