L'aube de l'humanité, il y a 4 millions d'années : de grands singes tentent de survivre... Un jour, ils découvrent un monolithe de couleur noire. Un des singes a l'idée de prendre un os et de s'en servir comme d'une arme. C'est le début de l'évolution de l'humanité...

En 2001, sur la Lune : une expédition américaine est chargée de percer le mystère d'un mystérieux bloc de métal noir découvert par le docteur Floyd sur la surface du satellite. L'équipe, à bord du vaisseau Discovery, a été alerté par un signal émis de Jupiter. A bord, tous les membres de l'équipage sont placés en état d'hibernation. Seuls deux astronautes conversent avec Hal 9000, l'ordinateur contrôlant le Discovery.. Ce dernier, soupçonné d'être l'auteur d'une erreur technique volontaire, provoque la mort d'un des deux astronautes et de l'équipage en hibernation. Le dernier astronaute parvient à fausser ses circuits, mais à l'approche de Jupiter, il est précipité dans l'espace et le temps...