Film jest rozłożony na trzy, w szczególny sposób powiązane ze sobą historie. W pierwszej obserwujemy życie przodków ludzi - małp. Pewnego dnia z kosmosu na Ziemię spada tajemniczy monolit, który inspiruje małpy, które wynajdują broń. Akcja przenosi się w przyszłość. Doktor Floyd udaje się na Księżyc, gdzie dokonano odkrycia monolitu - tajemniczy kamień wysyła sygnał, ogłuszając wszystkich obecnych tam naukowców. 18 miesięcy później wyprawa, dowodzona przez Davida Bowmana udaje się na Jowisza, z ważną misją. W trakcie lotu uczestnicy muszą zmierzyć się ze zbuntowanym, super-inteligentnym komputerem, H.A.L-em, który usiłuje przeszkodzić kosmonautom w dotarciu do celu...