Los Angeles, dans un futur proche. Theodore Twombly, un homme sensible au caractère complexe, est inconsolable suite à une rupture difficile. Il fait alors l'acquisition d'un programme informatique ultramoderne, capable de s'adapter à la personnalité de chaque utilisateur. En lançant le système, 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…

À 24 ans, Caleb (Domhnall Gleeson) est
un des plus brillants codeurs que compte
BlueBook, plus important moteur de
recherche Internet au monde. À ce titre, il
remporte un séjour d’une semaine dans la
résidence du grand patron (Oscar Isaac) à la
montagne. Mais quand Caleb arrive dans la
demeure isolée, il découvre qu’il va devoir
participer à une expérience troublante :
interagir avec le représentant d’une nouvelle
intelligence artificielle apparaissant sous
les traits d’une très jolie femme robot