在2012年4月1日举办的“ANIME CONTENTS EXPO 2012”活动上，官方宣布了电视动画第2期的制作决定。2012年6月8日，动画第2期的标题正式公布为《我的妹妹哪有这么可爱。》。动画全16话，其中电视播放的13话于2013年4月6日起开始播放，网络配信的第14-16话则于2013年8月18日起在日本的NICONICO动画、中国大陆的乐视网、中国台湾的中华电信等世界多家视频网站“全世界同时放送”。而在全球同时播放前，14-16话亦将在美国马里兰州巴尔的摩召开的东海岸最大动画祭典OTAKON（8月9日）和日本千叶县千叶市千叶市民会馆的先行上映会（8月17日）中先行上映。

原著作者在先行上映会上透露其实他对动画结局有2点小小不满，一是京介最后偷吻桐乃时如果是口对口就好了，二是希望桐乃和麻奈实能和原作一样，在最后改变发型，动画版省略了这个设定。制作人柏田明确表示动画版最后桐乃和京介变回普通兄妹，这与原作者伏见司此前表态原作是“完全的桐乃结局”的话相矛盾。