El solitario escritor Theodore Twombly (Joaquin Phoenix) trabaja como redactor de cartas emotivas en una empresa de Los Angeles que presta este tipo de servicio en una sociedad individualista, en un futuro cercano. No es un tipo depresivo, pero es melancólico, e intenta sobreponerse al fin de su matrimonio con Catherine (Rooney Mara), la mujer con la que compartió casi toda su vida adulta.

En un periodo en que no logra conocer personas que le llamen la atención, o con las que se sienta cómodo, Theodore cambia el sistema operativo de su computador por uno nuevo que tiene la particularidad de "tener conciencia" y una identidad propia. Es así como recibe en su vida a Samantha, el sistema operativo que sabe satisfacer todas sus necesidades y que tiene la voz de Scarlett Johansson.

Entre ambos se establece una conexión de amistad intensa, y Samantha todos los días suma un nuevo elemento a su personalidad. Esto la lleva a tener sentimientos, ideas y pensamientos propios. Es más que un sistema operativo que sigue las órdenes de su dueño: se convierte en su confidente y luego en su pareja. Testigo de esta relación es la amiga del protagonista, Amy (Amy Adams).

El director Spike Jonze es un experto en la creación de películas que juegan con la ciencia ficción y la fantasía en un contexto dramático. El cuarto largometraje del realizador- que empezó como cerebro de videoclips, cortos y documentales, faceta que hasta ahora no abandona- mantiene ese sello característico, el mismo que a fines de los noventa lo hizo resaltar con ¿Quieres ser John Malkovich?, pero con una mayor madurez como cineasta.