Lovely Complex est l’histoire d’une relation entre deux personnages complexés par leur taille.

Risa Koizumi est une fille qui mesure 170 cm, ce qui fait d’elle une personne de grande taille comparé aux autres filles de son école (la taille moyenne d’une japonaise est de 158,6 cm1). Au contraire, Atsushi Ootani (ou Otani) est un garçon qui ne mesure que 156 cm, ce qui ne l’empêche pas de jouer dans un club de basketball.

Ces deux personnages sont référés à un duo d’humoristes, les All Hanshin Kyojin dont un All Hanshin est vraiment petit, et un All Kyojin est vraiment grand. Risa et Ootani sont surnommés de cette façon malgré eux, à cause de leur différence de taille et de leurs chamailleries incessantes. Mais leur taille les empêche de s’épanouir complètement : ils manquent de confiance en eux pour ce qui est des relations avec les personnes du sexe opposé.

Durant les vacances d’été, Risa Koizumi et Atsushi Otani tombent amoureux de deux autres personnages et décident de s’entraider et de s’encourager mutuellement pour vaincre leurs complexes et essayer de séduire les élus de leurs cœurs…

Keitarō Urashima est un jeune homme de 20 ans qui essaie tant bien que mal d'intégrer la prestigieuse Tōdai, afin de tenir la promesse qu'il a faite à une fille quinze ans plus tôt. Il caresse l'idée de la revoir là-bas ; il a échoué deux fois au concours d'entrée, il ne se souvient plus du prénom de la jeune fille et sait encore moins à quoi elle ressemble !

Mis à la porte par ses parents, Keitarō espère pouvoir être hébergé par sa grand-mère qui possède une auberge traditionnelle : l'Hôtel Hinata. À son arrivée cependant, il ne trouve personne et pense pouvoir prendre un peu de bon temps dans le rotenburo. Il sera malheureusement pris pour un voyeur car depuis son enfance, l'hôtel est devenu une pension pour jeunes filles. Tiré cependant du mauvais pas par sa tante, il commence alors une nouvelle vie comme gérant de la pension...