Lors d'un mariage, un homme et une femme se rencontrent et commencent une relation dans laquelle chacun écrira des lettres décrivant leurs erreurs et leurs aventures passées.
Los Angeles, dans un futur proche. Theodore Twombly, un homme sensible au caractère complexe, est inconsolable suite à une rupture difficile. Il fait alors l'acquisition d'un programme informatique ultramoderne, capable de s'adapter à la personnalité de chaque utilisateur.
1994. Une adolescente américano-coréenne, Hyun Jae passe la soirée dans un bar du Nouveau-Mexique, où un jeune homme séduisant lui offre un verre et lui propose de la raccompagner chez elle. Elle n’atteindra jamais sa maison.