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...