《我的机器人女友》讲述了大学生次郎（小出惠介饰）的故事。一直过着孤独生活、从未在生日收到祝福的他，在20岁生日那天意外遇见了命中注定的“她”（绫瀨遥饰），两人共度了一个美好的夜晚。然而当晚，“她”却突然从次郎面前消失。
一年后的生日，次郎原以为自己又要回到寂寞的生活中，却再次与“她”相遇。这一次，“她”向次郎揭开了惊人的真相：自己是未来的次郎创造出的机器人，为了保护他免遭灾难而回到了过去。就这样，“她”住进次郎家中，开始与他共同生活。尽管灾难似乎始终如影随形，次郎与“她”之间也逐渐萌生出深厚感情。一段跨越时间、关于爱情与守护未来的感人故事，就此展开。
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