Cole (Ewan McGregor) und Zoe (Lea 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, der diese jedoch nicht erwidern zu können scheint. Und als Zoe dann auch noch die Wahrheit über ihre Identität herausfindet, erschüttert das ihre ganze Welt so sehr, dass sie gemeinsam mit Cole in eine brutale Abwärtsspirale gerät...
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