Dans un Los Angeles du futur proche, Theodore Twombly est un homme solitaire et sensible au cœur brisé par la fin difficile de son mariage de longue date. Pour gagner sa vie, il rédige des lettres manuscrites touchantes et intimes pour le compte de personnes qui n'y parviennent pas elles-mêmes. Manquant de repères, il décide de faire l'acquisition d'un programme informatique de pointe basé sur une intelligence artificielle ultra-moderne, capable de s'adapter à sa personnalité. Il fait ainsi la connaissance de Samantha, une voix féminine perspicace, drôle et étonnamment humaine avec qui il tisse rapidement des liens profonds. Au fil de leurs discussions quotidiennes, cette relation virtuelle unique se transforme en une véritable et complexe histoire d'amour.