Uma viagem desde o passado pré-histórico dos nossos antepassados, quando um grupo de macacos encontra um misterioso monólito e dele obtém conhecimentos que resultam na evolução do Homem, até ao espaço colonizado pelos humanos, no ano 2001. A descoberta de um outro monólito na Lua, proveniente de uma região junto a Júpiter, leva ao lançamento de uma expedição liderada pelo astronauta David Bowman para investigar a origem do objecto extra-terrestre. Quando a missão é colocada em risco por HAL 9000, o supercomputador que controla a nave espacial, Bowman terá de vencer a máquina antes de viajar até ao local de origem do admirável objecto.

A bordo da nave Leonov, uma tripulação que reúne americanos e soviéticos, está a caminho de um encontro com a Discovery, estacionada em órbita fixa. Aquilo que eles não sabem é que estão a caminho, também, de um futuro desconhecido para os humanos, e que o seu destino poderá ficar nas mãos do antigo computador da Discovery, o HAL-9000.

Um clarinetista (Woody Allen) que foi congelado em 1973 é trazido de volta 200 anos depois por um grupo contrário ao poder vigente, que tenta derrubar o governo opressor. No entanto, ele quer conhecer este novo mundo mas as inúmeras modificações ocorridas nestes dois séculos o coloca em diversas confusões.