故事发生在2025年。西奥多·托姆布里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。
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。
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。
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