Los Angeles, dans un futur proche. Theodore Twombly, un homme sensible au caractère complexe, est inconsolable après une rupture difficile. Il fait alors l'acquisition d'un nouveau système d'exploitation ultramoderne, capable de s'adapter à la personnalité de chaque utilisateur. En lançant le logiciel, il fait la connaissance de "Samantha", une voix féminine intelligente, intuitive et étonnamment drôle. Les besoins et les désirs de Samantha grandissent et évoluent, tout comme ceux de Theodore et, peu à peu, ils tombent amoureux...