Theodore Twombly (Joaquin Phoenix) é um homem complexo e emotivo que trabalha escrevendo cartas pessoais e tocantes para outras pessoas. Com o coração partido após o final de um relacionamento, ele começa a ficar intrigado com um novo e avançado sistema operacional que promete ser uma entidade intuitiva e única. Ao iniciá-lo, ele tem o prazer de conhecer "Samantha", uma voz feminina perspicaz, sensível e surpreendentemente engraçada. A medida em que as necessidades dela aumentam junto com as dele, a amizade dos dois se aprofunda em um eventual amor um pelo outro.