A Los Angeles, Theodore Twombly (Joaquin Phoenix) è un uomo solo ed introverso, immerso nella potente tecnologia che ha permeato la società. Per distrarsi dal suo lavoro e dalla sua solitudine, Theodore decide di acquistare un nuovo sistema operativo ‘OS 1’, basato sull’intelligenza artificiale che è in grado di adattarsi alle esigenze del suo proprietario.
Una volta avviato, il sistema si dà il nome ‘Samantha’ e affascina l’uomo con l’abilità di sviluppare profondamente il lato psicologico e assecondare gli input esterni.
Samantha diventa una preziosa confidente per Theodor, che sta vivendo un periodo estremamente critico a causa del divorzio con la moglie Catherine (Rooney Mara).
Spinto da Samantha, l’uomo accetta di partecipare ad un appuntamento al buio, organizzato dall’amica Amy (Amy Adams). Quando la serata si rivela un disastro, Theodor cerca conforto nel sistema operativo e scopre che esso ha sviluppato sentimenti e istinti sempre più complessi e profondi.
Mentre tra i due si instaura una relazione amorosa, Amy confessa di provare lo stesso attaccamento per il suo sistema ‘OS 1’.
Forte del nuovo sentimento, Theodor accetta di firmare le carte del divorzio ma un brusco litigio con Catherine destabilizza i sentimenti che nutre per Samantha. Quest’ultima, nel frattempo, vorrebbe utilizzare una sostituta umana per poter avere un rapporto completo con l’uomo che ama, ma Theodor si rifiuta.
Los Angeles, in un futuro non troppo lontano. Theodore, un ragazzo solitario dal cuore spezzato che si guadagna da vivere scrivendo lettere “personali” per gli altri, acquista un sistema informatico di nuova generazione progettato per soddisfare tutte le esigenze dell’utente. Il nome della voce del sistema operativo è Samantha, che si dimostra sensibile, profonda e divertente. Il rapporto di Theodore e Samantha crescerà e l’amicizia si trasformerà in amore ma…