À Los Angeles, dans un avenir proche, Theodore Twombly, homme sensible et tourmenté par une rupture douloureuse, cherche à retrouver un sens à sa vie. Il se procure alors un système d’exploitation de pointe, conçu pour s’adapter à la personnalité de son utilisateur. À son activation, il rencontre Samantha, une voix féminine vive, intuitive et pleine d’humour. Au fil du temps, leurs émotions et leurs désirs évoluent, et une relation singulière, faite de complicité et d’amour, se tisse entre eux…