そう遠くない未来のロサンゼルス。他人に代わってその相手への想いを手紙に綴る“代筆ライター”のセオドア。仕事は順調だったが、その一方で離婚調停中の妻キャサリンとの思い出を、別れて１年経った今も断ち切れないでいた。そんなある日、最新式のＡＩ型ＯＳ“ＯＳ１”の広告を目にしたセオドアはさっそく自宅のＰＣに取り込むことに。すると起動した画面の奥から聞こえたのは、“サマンサ”と名乗る女性の声。それは無機質で事務的なＡＩとは思えないほどユーモラスかつセクシーで、バイタリティーに満ち溢れる人間のようだった。サマンサをすぐに気に入ったセオドアは携帯端末にも彼女をインストール。こうして常に一緒のふたりは新鮮で刺激的な日々を過ごし、いつしか恋に落ちていく。そしてついに、セオドアはキャサリンとの離婚届に判を押そうと決意。しかし、再会した彼女の前でＡＩとの交際を打ち明けたことをきっかけに、セオドアとサマンサそれぞれの想いがすれ違い、ふたりの関係に異変が生じていく…。