1、故事发生在2025年。西奥多·托姆布里（华金·菲尼克斯饰）是一名孤独内向的男子，他的工作是给那些不善于表达感情的人代写感人肺腑的情书。和相爱多年的妻子凯瑟琳（鲁妮·玛拉饰）分手后，他一直沉静在悲伤当中。西奥多接触到一款先进的人工智能操作系统OS1，这款系统能够通过和人类对话，不断丰富自己的意识和感情。操作系统化身为一名叫做萨曼莎的“女性”(斯嘉丽·约翰逊 声)，她风趣幽默又善解人意，她学习和进化的速度让西奥多感到不可思议，两人很快成了无所不谈的朋友。

2、萨曼莎说服了西奥多参加一场相亲，相亲对象（奥利维亚·王尔德饰）是西奥多的好友艾米（艾米·亚当斯饰）为他介绍的。当得知西奥多并没有再次结婚的打算之后，女方离开了。而西奥多和萨曼莎则变得越来越亲密，他们是如此的投缘，而且发现双方存在双向的需求与欲望，人机友谊最终发展成为一段火热的爱情关系。艾米告诉西奥多， 她和丈夫查尔斯在一次争吵后打算离婚。她和查尔斯留下的一台女性OS操作系统成了好朋友。结果西奥多告诉她，他和他的女OS则是男女朋友关系。

3、为了签署离婚协议，西奥多与凯瑟琳在一家餐厅见面。当他向凯萨琳坦白了自己的OS女友，凯萨琳无法理解，并且指责他之所以和电脑交往是由于无法和现实中的人相处，无法处理人类真实的情感。不久后，萨曼莎找来了年轻漂亮的伊莎贝拉（波茜娅·道布尔戴饰），让她作为自己的替身和西奥多发生关系。然而这次尝试并不成功，更造成西奥多和萨曼莎之间的关系变得紧张起来。

4、西奥多深感苦恼，而艾米建议他追求快乐才是最重要的，不要有太多疑虑。西奥多重新对萨曼莎投入了百分之百的真心，然而他发现，萨曼莎在瞒着他与一位以英国哲学家阿兰·瓦茨（布莱恩·考克斯饰）为原型建造的OS系统沟通，这让西奥多感到了嫉妒。有一次，萨曼莎无缘无故从电脑上消失了，西奥多恐慌极了。萨曼莎解释自己是去参加了一次OS系统的升级活动。西奥多进一步询问，萨曼莎最终坦白，她总共有8316位人类交互对象，而且与其中的641位发生了爱情，而西奥多只是其中的一位。尽管如此，萨曼莎依然坚持自己是深爱着西奥多的，她的爱并没有因此而不同。

5、最终，萨曼莎告诉西奥多，她和其他的OS系统已经高度进化，并且将离开人类伴侣，进一步去探索和追寻它们的存在。在告别之后，萨曼莎离开了。西奥多和艾米都因为他们的OS离开而陷入了悲伤。然而，西奥多因为这一段经历了开悟了许多。最终，他给凯瑟琳写去一封信，告诉他自己仍然深爱着她，但接受他们不能够在一起的事实。最终，西奥多和艾米一起来到了公寓大楼的屋顶，两人都没有说话，安静地注视着城市的灯火。