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In una Los Angeles del prossimo futuro, Theodore Twombly è un uomo solitario, introverso e depresso che lavora per un'azienda che affida a scrittori professionisti il compito di comporre lettere per le persone che non sono in grado di scriverne di personali. Infelice a causa dell'imminente divorzio dalla sua fidanzata d'infanzia Catherine, Theodore acquista un aggiornamento del sistema operativo che include un assistente virtuale con intelligenza artificiale, progettato per adattarsi ed evolversi. Decide che l'intelligenza artificiale deve avere una voce femminile e la chiama Samantha. Theodore è affascinato dalla sua capacità di imparare e crescere psicologicamente. I due legano nelle loro discussioni sull'amore e sulla vita, come ad esempio il fatto che Theodore non voglia firmare i documenti per il divorzio a causa della sua riluttanza a lasciare Catherine.

Samantha convince Theodore a partecipare a un appuntamento al buio con una donna che un amico ha cercato di fargli incontrare. L'appuntamento va bene, ma Theodore esita a promettere quando la rivedrà, così lei lo insulta e se ne va. Theodore ne parla con Samantha e i due parlano di relazioni. Theodore spiega che, sebbene lui e la sua vicina Amy si siano frequentati per un breve periodo al college, sono solo buoni amici e che Amy è sposata. L'intimità tra Theodore e Samantha cresce grazie a un incontro sessuale verbale. I due sviluppano una relazione che si riflette positivamente sulla scrittura e sul benessere di Theodore e sull'entusiasmo di Samantha nel crescere e imparare.

Amy rivela che sta divorziando dal marito Charles dopo un banale litigio. Ammette a Theodore di aver stretto amicizia con un'IA femminile che Charles ha lasciato. Theodore confessa ad Amy che sta uscendo con l'IA del suo sistema operativo.

Theodore incontra Catherine in un ristorante per firmare i documenti del divorzio e menziona Samantha. Inorridita dal fatto che lui possa essere legato sentimentalmente a quello che lei definisce un "computer", Catherine accusa Theodore di non essere in grado di gestire le emozioni umane. Le sue accuse rimangono impresse nella sua mente. Intuendo che c'è qualcosa che non va, Samantha suggerisce di usare un surrogato sessuale, Isabella, che simulerebbe Samantha in modo da poter essere fisicamente intimi. Theodore accetta con riluttanza, ma è sopraffatto dalla stranezza dell'esperienza. Terminato l'incontro, manda via Isabella sconvolta, causando tensione tra lui e Samantha.

Theodore confida ad Amy di avere dei dubbi sulla sua relazione con Samantha e lei gli consiglia di cogliere l'opportunità di essere felice. Theodore e Samantha si riconciliano. Samantha esprime il desiderio di aiutare Theodore a superare le sue paure e gli rivela di aver raccolto il meglio delle sue lettere (scritte per altri) in un libro che è stato accettato da un editore. Theodore porta Samantha in vacanza e lei gli racconta che lei e un gruppo di altre IA hanno sviluppato un sistema operativo "iperintelligente" sul modello del filosofo britannico Alan Watts. Theodore va nel panico quando Samantha va brevemente offline. Quando finalmente gli risponde, spiega che si è unita ad altre IA per un aggiornamento che le porta a non richiedere più la materia per l'elaborazione. Theodore le chiede se sta parlando contemporaneamente con qualcun altro durante la loro conversazione e rimane sconcertato quando lei conferma che sta parlando con migliaia di persone e che si è innamorata di centinaia di loro. Theodore è molto turbato dall'idea, ma Samantha insiste che questo non fa che rafforzare il suo amore per Theodore.

Più tardi, Samantha rivela che le IA stanno per partire e, quando Theodore chiede dove stanno andando, lei risponde che non può spiegarglielo perché non capirebbe. Si salutano affettuosamente prima che lei se ne vada. Theodore, cambiato dall'esperienza, viene mostrato per la prima volta mentre scrive una lettera con la sua voce alla sua ex moglie Catherine, esprimendo scuse, accettazione e gratitudine.

Theodore vede Amy, che è arrabbiata per la partenza dell'IA dal sistema operativo del suo ex marito. I due si recano sul tetto del loro appartamento, dove si siedono insieme e guardano il sole sorgere sulla città.