Theodore Twombly est rédacteur de lettres personnelles pour une petite compagnie de Los Angeles. Hésitant à signer les papiers confirmant son divorce d'avec sa femme Catherine, il vit seul dans son appartement en attendant. Un jour, il se procure un OS, un système d'opération doté d'intelligence artificielle, qui devient sa confidente. Il tombe même amoureux de ce programme informatique qui dit se nommer Samantha. Alors qu'ils apprennent progressivement à se connaître, ils entreprennent une relation aussi normale que possible qui les comble tous les deux... au moins pour quelques temps.