Il film è diviso in quattro capitoli: si parte dall'alba dell'umanità, dove un misterioso monolito nero guida un gruppo di ominidi verso l'uso degli strumenti; si passa poi al futuro, con gli scienziati che scoprono un monolito simile sulla Luna che emette un segnale verso Giove. Durante la missione spaziale verso Giove, il supercomputer di bordo HAL 9000 si ribella all'equipaggio. Alla fine, l'astronauta David Bowman sopravvive e intraprende un viaggio oltre lo spazio e il tempo, trasformandosi nello "Star Child" (Bambino delle stelle).
