Theodore Twombly is een complex en gevoelig man die zijn geld verdient door middel van het schrijven van persoonlijke en liefdevolle brieven in opdracht van andere mensen.
Nog vol verdriet door het stuklopen van zijn jarenlange relatie, raakt hij geïntrigeerd door een nieuw geavanceerd computersysteem, wat een geheel eigen identiteit vormt op basis van de voorkeuren van de gebruiker.
Wanneer hij het systeem activeert, ontmoet hij Samantha, een vrouwelijke stem met een verrassend menselijk gevoel voor humor en empathie. Hun vriendschap verdiept zich steeds meer door alle input en ervaringen die Theodore en Samantha met elkaar delen, en lijkt tot liefde te evolueren.