真实的眼泪是什么？动画《真实的眼泪》以几对少年少女的恋爱故事来与观众一起寻找答案。 少女石动乃绘因为童年的心灵创伤而不再流泪。以“找寻真实的眼泪”为理由，她与以绘本作家为人生目标的少年仲上真一郎相遇了。因为真一郎仰望天空，乃绘相信，真一郎一定会有真实的眼泪。乃绘开始与真一郎交往。但真一郎心中有一位终日愁容的少女，同样童年有心灵创伤的汤浅比吕美。真一郎与比吕美相互爱慕，却同时为了讨好对方而和他人交往。纠结的爱情故事，真一郎要面对自己内心的选择。
丹童子有马（寺岛拓笃 配音）是一名高中二年级的学生，看似沉默寡言严肃内向的他，其实有着一段不堪回首的过去。为了避免再伤害周围的人，有马选择了形单影只的孤独生活。某日，一位名叫蓝羽琉璃（中岛爱 配音）的少女带着执事镜诚（入野自由 配音）出现在了有马的面前，提出了希望利用有马身上“恶石”的力量。 恶石的力量虽然强大但难以控制，有马曾因此而犯下令他追悔莫及的错误。而蓝羽琉璃则拥有“善石”的力量，能够牵制和压抑有马的暴走，在蓝羽琉璃的不断恳求下，有马终于决定走出过去的阴影敞开心扉，两人共同要面对的，是因为恶石力量而幻化而成的魔物。
次郎是光明寺博士为了替代死去的儿子一郎而倾尽心血的产物，但是作为一个有自主意识的人造人，次郎的思维装置——良心回路在完成的时候出了问题。人类害怕次郎，因为次郎可以不断学习，最后超越人类；而机器人也讨厌次郎，因为拥有良心回路的机器人更加接近人类。并且，有良心回路的机器人是可以拒绝命令的，这更是让次郎被人类和机器人两边都排斥的原因。 在于基路教授战斗中，次郎一边通过战斗学习促使良心回路成长，一边寻找光明寺博士的下落。这时，自称次郎的弟弟的人造人三郎为了确认自己存在的意义而向次郎发起了挑战，而让次郎无法还手的利用就是，冷酷的基路教授把光明寺博士的脑放在了三郎体内！！
