Romance Doll mengangkat kisah Tetsuo (Issey Takahashi), seorang pembuat love doll yang menjalani hidup dengan pekerjaan unik dan penuh rahasia. Suatu hari, ia mendapat masalah di tempat kerja karena boneka buatannya dianggap tidak sesuai dengan standar dan ekspektasi sang atasan. Demi memperbaiki hasil karyanya, Tetsuo diminta menggunakan model manusia asli sebagai referensi.

Untuk menjalankan tugas itu, Tetsuo terpaksa menyamar sebagai seorang dokter yang mengaku sedang membuat payudara prostetik. Lewat penyamaran inilah ia bertemu dengan Sonoko, seorang model. Pertemuan pertama mereka langsung meninggalkan kesan mendalam. Tanpa diduga, Tetsuo jatuh cinta pada pandangan pertama pada Sonoko.

Seiring waktu, hubungan keduanya berkembang menjadi kisah asmara yang hangat dan tulus. Mereka pun memutuskan menikah dan membangun rumah tangga bersama. Namun di balik kebahagiaan itu, Tetsuo menyimpan satu rahasia besar: ia tak pernah jujur soal profesinya sebagai pembuat love doll kepada sang istri.

Rahasia itu perlahan menjadi beban dalam pernikahan mereka. Hingga suatu malam, Tetsuo dan Sonoko akhirnya sepakat untuk saling membuka diri dan mengungkap kebenaran yang selama ini mereka simpan rapat-rapat. Malam itu pun menjadi titik penentu bagi hubungan mereka ke depannya.