Un grupo de hombres-mono en los albores de la humanidad, que luchan por su supervivencia, descubren aterrados un gigantesco monolito negro. A partir de ese momento su inteligencia empieza a despertar. Una nave vuela hacia una estación espacial. A bordo un único pasajero, el doctor Floyd (William Sylvester) que se dirige a la Luna, donde se ha descubierto un extraño objeto, un monolito negro. Año 2001: la nave Discovery, con Frank Poole (Gary Lockwood) y Dave Bowman (Keir Dullea) como tripulación activa, y dirigida por la computadora Hal 9000, con destino a Júpiter, sufre un fallo. Dave sospecha de Hal, que actúa como un ser humano y que aspira a ser el jefe, un ser superior. Decide anular sus funciones superiores y mantener a la computadora solo en sus funciones mecánicas y parlantes, pero Hal, que sabe leer los labios descubre la jugada y se rebela, matando al resto de la tripulación que permanecía dormida y que provocando que la misión fracase. Tras la muerte de Frank, Dave, único superviviente, deberá desconectar completamente a Hal, viéndose después envuelto en un universo desconocido, un mundo más allá de las estrellas, encontrándose en una mansión victoriana con un monolito negro.
