La historia de la humanidad, en diversos estadios del pasado y del futuro, es narrada en la película de ciencia-ficción de culto por excelencia de la historia del cine. Hace millones de años, en los albores del nacimiento del homo sapiens, unos simios descubren un monolito que les lleva a un estadio de inteligencia superior. Otro monolito vuelve a aparecer, millones de años después, enterrado en una luna, lo que provoca el interés de los científicos humanos. Por último, HAL 9000, una máquina de inteligencia artificial, es la encargada de todos los sistemas de una nave espacial tripulada durante una misión de la NASA.

Nueve años después de que la USS Discovery se perdiese en el espacio, una expedición conjunta de los Estados Unidos y la Unión Soviética es enviada a Júpiter para reactivar el ordenador Hal 9000, que dirigía la nave accidentada, y descubrir el problema que frustró la expedición del Discovery misión así como el significado de las últimas transmisiones de uno de los tripulantes. El doctor Floyd, jefe de la expedición, a su llegada a Júpiter se encuentra con el gran monolito negro que la primera misión pretendía investigar.

Tras permanecer 200 años en estado de hibernación, Miles Monroe, clarinetista y propietario de una tienda de comida sana, despierta en el año 2.174 en una América regida por un estado policial que vigila día y noche a todos los habitantes del país, es decir, a aquellos que habiendo sido ciudadanos han dejado de serlo para convertirse en súbditos, en autómatas.