Cole (Ewan McGregor) und Zoe (Léa Seydoux) sind Arbeitskollegen. Während Cole sogenannte "Synthetics" entwirft, also Roboter, die so lebendig wirken, dass man sie nicht von Menschen unterscheiden kann, nutzt Zoe Algorithmen, um für ihre Klienten den perfekten Partner für eine lebenslange Beziehung zu finden. Nach und nach entwickelt sie selbst Gefühle für Cole. Ash, einer der Androiden, die sie geschaffen haben, wird eifersüchtig auf die Affäre zwischen Zoe und Cole und eröffnet ihnen, dass Zoe ein Roboter ist. Zerrissen zwischen ihren Gefühlen füreinander und dem Stigma, das einer Beziehung zwischen Mensch und Maschine anheftet, geraten alle Drei in eine Spirale aus Verwirrung und Betrug, durchdrungen von der stärksten menschlichen Emotion: Liebe.