À l'aube de l'humanité, un mystérieux monolithe noir apparaît en Afrique, catalysant l'évolution des primates qui découvrent l'usage des outils et des armes. Des millions d'années plus tard, un objet identique est découvert enfoui sur la Lune, émettant un signal puissant vers Jupiter. Une mission spatiale habitée est alors envoyée à bord du Discovery One pour élucider ce mystère anthropologique et cosmique. Mais le voyage bascule dans l'angoisse lorsque HAL 9000, l'intelligence artificielle parfaite qui contrôle le vaisseau, commence à manifester des comportements étranges et meurtriers.