Un gruppo di scimmie antropoidi, che segnano il principio della civiltà umana, trova un monolite. Gli umanoidi vi si accostano diffidenti, poi lo toccano con singolare rispetto e qualcosa accade in loro: si accorgono per la prima volta che un osso abbandonato può diventare una clava, uno strumento utile. Si è accesa la scintilla dell'intelligenza. Nell'anno 2001, sulla Luna, un gruppo di esploratori trova un identico monolite, che denuncia un'anzianità di quattro milioni di anni e che genera attorno a sé un forte campo magnetico. Lo scienziato Heywood Floyd è incaricato di più approfondite ricerche: si pensa che il monolite racchiuda in sé il segreto del mondo, il rigenerarsi della vita stessa. Qualche tempo dopo viene inviata verso Giove un'astronave con a bordo due uomini in attività e altri tre in stato di ibernazione, oltre ad un esemplare del più perfezionato calcolatore elettronico, l' Hal 9000. Durante il viaggio solo Bowman, uno dei due astronauti, riesce a sopravvivere, poichè il computer ha causato la morte di tutti gli altri componenti l'equipaggio, volendosi sostituire all'uomo. Bowman, riuscito a penetrare nel cuore di Hal 9000, riesce a localizzare le sue funzioni cerebrali superiori e a bloccarle, venendo inoltre a conoscenza, indagando nella sua memoria, del vero scopo della missione: il monolite scoperto sulla Luna inviava un potente segnale radio verso Giove; qui forse si troverà la spiegazione dell'origine della vita. Infatti Bowman, nelle immediate vicinanze del pianeta, perde il controllo di se stesso, cadendo in un sonno vivificatore: è così che l'astronauta, superando Giove, affronta lo spazio infinito, attraversando mondi e galassie, vivendo una esaltante esperienza conoscitiva. Successivamente Bowman, in una trasposizione di immagini, si vede nella sua casa, prima in veste di astronauta, poi di maturo signore, e infine disteso sul letto in punto di morte, dove subentra il monolite, che lo fa rivivere, sotto forma di feto, in un informe bambino dagli occhi sgranati su un mondo tutto da scoprire. In un mondo futuro, retto dai "computers" e da un'autorità astratta e irraggiungibile, uomini e donne non sono più che automi programmati per produrre e consumare. Senza più nome (hanno solo un numero di matricola), rasati e vestiti di tuniche bianche, vivono sottoterra sorvegliati da robot poliziotti. Ogni distinzione di sesso è stata abolita come nemica della felicità, e nemici da annientare sono l'amore, il pensiero, l'individualità. Malgrado i mille controlli ideati per sopprimere sul nascere sentimenti e germi del pensiero, l'immatricolato THX 1138 e la sua compagna LUH 3417 si riscoprono umani, attratti l'uno verso l'altra. Fulmineo scatta allora il meccanismo repressivo, e la donna viene distrutta. Col pensiero, però, THX ha ritrovato anche lo spirito di rivolta, per cui saprà sfuggire al sistema e raggiungere, al termine di una lunga caccia, la strada per il mondo esterno. Nove anni dopo la spedizione della missione spaziale americana del "Discovery" - il cui fallimento è avvolto nel più completo mistero - una missione di sovietici, comandati dal capitano Tanya Kirbuk, e di americani, capeggiati dal dottor Heywood Floyd, a suo tempo già direttore del progetto Discovery", a bordo della più aggiornata astronave sovietica, la "Leonov", si dirige verso il pianeta Giove alla ricerca della navicella scomparsa e di un misterioso monolite che dovrebbe racchiudere in sé molti dei misteri del cosmo. Rintracciato il "Discovery", uno degli scienziati americani riesce a riprogrammare HAL 9000, l'elaboratore elettronico di bordo, e si scopre così che la missione era fallita in quanto il computer stesso era andato in tilt quando, trovatosi di fronte al monolite - una entità vivente ed intelligente - si era creato un conflitto tra gli ordini (segreti) impartitigli dalla Terra e gli ordini di David Bowman, il comandante del "Discovery". Nel frattempo dalla Terra arriva un ordine: americani e sovietici si devono separare nello spazio in quanto Stati Uniti e Unione Sovietica sono sull'orlo di una guerra. Mentre gli americani tornano a bordo del "Discovery", David Bowman, il comandante della prima missione dato per scomparso, si rivela misteriosamente al dottor Floyd ingiungendogli di partire entro due giorni insieme ai sovietici perché un avvenimento straordinario sta per accadere. Quando, di comune accordo, americani e sovietici si stanno allontanando dal pianeta Giove, si verifica un'immane deflagrazione che manda in frantumi Giove, mentre Europa, uno dei satelliti dello stesso pianeta, si trasforma in uno sfolgorante nuovo sole per la Terra, cui è destinata la sibillina ed inquietante prescrizione: "Tutti questi mondi sono vostri, salvo Europa. Non tentate di accedervi. Traetene profitto insieme ed in pace".