Uma viagem desde o passado pré-histórico dos nossos antepassados, quando um grupo de macacos encontra um misterioso monólito e dele obtém conhecimentos que resultam na evolução do Homem, até ao espaço colonizado pelos humanos, no ano 2001. A descoberta de um outro monólito na Lua, proveniente de uma região junto a Júpiter, leva ao lançamento de uma expedição liderada pelo astronauta David Bowman para investigar a origem do objecto extra-terrestre. Quando a missão é colocada em risco por HAL 9000, o supercomputador que controla a nave espacial, Bowman terá de vencer a máquina antes de viajar até ao local de origem do admirável objecto.