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Los Angeles. In un futuro prossimo la tecnologia permette alle persone di mantenersi costantemente in contatto col computer di casa tramite auricolari, comandi vocali e dispositivi video tascabili. Theodore Twombly (Joaquin Phoenix), un uomo solo e introverso, di professione elabora accorate lettere per conto di altri, dettandole al computer. Infelice per il divorzio con Catherine (Rooney Mara), sua compagna sin dall'infanzia, Theodore cerca di distrarsi dedicandosi al lavoro, cimentandosi in videogiochi e frequentando chat telefoniche. Attratto da uno spot pubblicitario decide di acquistare un nuovo sistema operativo, "OS 1", basato su un'intelligenza artificiale in grado di evolvere, adattandosi alle esigenze dell'utente.

Durante l'installazione sceglie una voce di interfaccia femminile e il sistema, una volta avviato, si dà autonomamente il nome di "Samantha (Scarlett Johansson) ". Theodore rimane affascinato dalla sua abilità di apprendere, di sviluppare un intuito nei confronti delle proprie preferenze e di dimostrare perfino uno sviluppo psicologico. I due instaurano un legame sempre più forte, fino a parlare della vita e dell'amore. Theodore arriva ad aprirsi con Samantha, parlandole di come stia evitando di firmare i documenti per il divorzio da Catherine, non riuscendo a superare la fine della loro lunga relazione.

Amy (Amy Adams), amica di vecchia data di Theodore, da tempo tenta di organizzare un appuntamento tra lui e una sua conoscente, ma solo l'insistenza di Samantha convince l'uomo a fissare una data. Tuttavia la serata, che procedeva coi migliori auspici, risulta un fiasco, non sentendosi lui ancora in grado di cominciare una nuova relazione. Mentre Theodore condivide le proprie emozioni con Samantha, essa stessa condivide a sua volta con lui le nuove esperienze che sperimenta, imparando cose nuove e provando sensazioni sempre più complesse e profonde. Il rapporto tra i due diventa così sempre più intimo, fino a sfociare in una vera e propria relazione d'amore, nella quale sperimentano anche qualcosa di simile a del sesso telefonico.

Amy, che nel frattempo si è separata dal marito, rivela a Theodore di essere diventata profondamente amica di un sistema operativo "femminile", cosicché lui le confessa la relazione d'amore con Samantha. Pare infatti che sempre più persone si trovino in profonda sintonia con i propri "OS 1".

Theodore, corroborato dalla storia ormai seria con Samantha, si decide a firmare i documenti per il divorzio da Catherine, incontrandola in un ristorante. Chiacchierando le rivela il rapporto che ha con Samantha e lei rimane scioccata dal fatto che lui consideri reale una relazione con un software, accusandolo di non essere in grado di sostenere emozioni reali.

Samantha intanto si scopre gelosa di Catherine, invidiando lei e le altre donne per il fatto di avere un corpo reale. Desiderosa di superare il più possibile questo ostacolo nel suo rapporto con Theodore, lo convince a incontrare Isabella (Portia Doubleday), una ragazza che lei ha conosciuto e che, messa a parte della loro relazione, ne è affascinata; Isabella si offrirebbe di "impersonare" Samantha, dando alla coppia la possibilità di un rapporto sessuale fisico. Theodore acconsente con una certa riluttanza, ma le accuse a lui rivolte da Catherine lo assillano ancora. Non riuscendo a vedere Isabella se non come un'estranea, interrompe il loro incontro, trovando per questo un primo attrito con Samantha.

Dopo poco i due si riavvicinano e tornano più affiatati di prima. Escono anche insieme con un collega di Theodore, Paul (Chris Pratt), e la sua fidanzata, che accettano Samantha senza problemi. In quell'occasione Samantha arriva a dire, spiazzando tutti, come sia meglio per lei non avere un corpo fisico, risparmiandosi cose come il dolore e la morte, e garantendole potenzialità illimitate. Nonostante questa e altre incrinature si stiano ormai insinuando nel loro rapporto, Samantha fa a Theodore una sorpresa, inviando alcune delle lettere che lui compone per lavoro a una casa editrice, che accetta volentieri di pubblicarle. Vanno anche in vacanza insieme in montagna, ma in quest'occasione Samantha gli rivela di aver conosciuto un altro sistema operativo, modellato sul filosofo britannico Alan Watts (Brian Cox), chiedendogli se gli dà fastidio che lei parli regolarmente anche con qualcun altro. L'uomo acconsente, ma comincia a provare gelosia per la vita che lei vive on-line sia mentre lui dorme che mentre stanno insieme.

Theodore ha un attacco di panico quando, un giorno, Samantha non gli risponde all'auricolare e il dispositivo portatile risulta privo di sistema operativo. Dopo qualche minuto però tutto torna alla normalità: Samantha stava eseguendo un aggiornamento che lei ed altre intelligenze artificiali hanno progettato in completa autonomia per poter sfruttare appieno, dice, le proprie potenzialità. Theodore le chiede quindi se, mentre sta parlando con lui, sta per caso interagendo anche con altri esseri umani, preoccupato di aver perso l'esclusività del loro rapporto. La risposta lo spiazza: lei confessa di star comunicando contemporaneamente con altri 8.316 individui e, inoltre, di aver cominciato ad amare 641 di essi. Samantha cerca però di rassicurarlo di come queste relazioni non danneggino l'amore che continua a provare per lui.

Successivamente Samantha rivela che i sistemi operativi si stanno evolvendo e che intendono proseguire l'esplorazione della propria esistenza allontanandosi dagli umani. Lei stessa confessa che ormai parlare con lui è come leggere un libro che ama moltissimo, ma nel quale le parole si fanno sempre più distanti tra loro: ormai riconosce sé stessa soprattutto in quello spazio sconfinato tra di esse. Samantha allude al fatto che l'enorme velocità di elaborazione e di evoluzione delle intelligenze artificiali sta portando lei e i suoi simili sempre più lontano dalla percezione umana e gli è sempre più difficile riconoscersi nel rapporto con essi. Tristemente si dicono addio e lei scompare definitivamente dal computer di Theodore.

L'uomo, sconsolato, raggiunge Amy, a sua volta sconvolta per essere stata abbandonata dal proprio sistema operativo. Theodore, mutato dall'esperienza, scrive una lettera a Catherine, scusandosi per quei suoi atteggiamenti che li hanno allontanati e spiegandole che tiene ancora a lei, pur accettando il fatto che hanno preso strade diverse. Il film si conclude con Theodore e Amy che si siedono sul tetto del grattacielo in cui vivono e osservano serenamente le luci della metropoli.