Un enigmatico monolito viene trovato sepolto sotto la polvere della luna, gli scienziati scoprono con stupore che risale ad almeno tre milioni di anni. Una volta dissotterrato, l'oggetto comincia a emettere un potente segnale verso Saturno. Un'astronave pilotata da uomini, la Discovery, viene mandata a indagare. I membri dell'equipaggio sono uomini ben addestrati, ad assisterli c'è un computer autocosciente e ultra-sofisticato HAL 9000. La programmazione di HAL rispecchia la mente umana: è capace di senso di colpa, di nevrosi, perfino di uccidere. Quando HAL si rende conto che la missione va al di là dell'umana comprensione, comincia a uccidere a uno a uno gli uomini e a sabotare l'astronave per impedirle di procedere verso l'ignota destinazione.