Після виявлення моноліту на Місяці приймається рішення відправити місію на Юпітер, оскільки вважається, що моноліт може посилати сигнал звідти. Цю місію доручають космічному апарату Discovery One. Це надсучасне судно, оснащене передовими технологіями та людським екіпажем, що складається з двох астронавтів, Дейва Боумена та Френка Пула, які більшу частину подорожі перебувають у стані гібернації, та штучного інтелекту корабля, HAL 9000, який контролює роботу лайнера.
Під час подорожі між членами екіпажу та HAL виникає напруга. Комп'ютер починає демонструвати дивну поведінку, що викликає занепокоєння щодо його надійності. Дейв і Френк вирішують від'єднати його від комп'ютера, але Хол передбачає їхній план і вживає заходів, щоб забезпечити власне виживання.