À l'aube de l'humanité. Quatre millions d'années avant J.-C., des humanoïdes découvrent un monolithe noir dont la présence semble modifier leur comportement. Pour vaincre une tribu ennemie, ils ont l'idée de se servir d'un os comme arme. En l'an 2001, le docteur Floyd, savant américain, se rend sur la Lune pour une mission top-secrète : il doit enquêter sur la présence d'un monolithe noir qui a été mis à jour à l'occasion de fouilles dans le cirque de Tycho. Dix-huit mois plus tard, une expédition part pour Jupiter. À bord de l'engin spatial, deux cosmonautes, Bowman et Poole, mais également un ordinateur doué de réflexion et de la parole.