Fa milions d'anys, abans de l'aparició de l'homo sapiens, uns primats descobrixen un monòlit que els conduïx a un estadi d'intel·ligència superior. Milions d'anys després, un altre monòlit, enterrat en una lluna, desperta l'interés dels científics. Finalment, durant una missió de la NASA, HAL 9000, una computadora dotada d'intel·ligència artificial, s'encarrega de controlar tots els sistemes d'una nau espacial tripulada.