Uma equipe de astronautas liderados pelos experientes Dr. David Bowman (Keir Dullea) e Dr. Frank Poole (Gary Lockwood) é enviada ao planeta Júpiter na nave Discovery, totalmente controlada pelo computador HAL 9000, para tentar descobrir mais detalhes sobre um misterioso objeto encontrado na Lua. Entretanto, no meio da viagem, o computador apresenta uma avaria e a história pode ficar complicada para os tripulantes.