Pendant que la Terre est en proie à la menace nucléaire, une expédition spatiale américano-soviétique est envoyée vers Jupiter pour tenter de récupérer le vaisseau U.S.S. Discovery.
Cette expédition sera confrontée à l'apparition d'un mystérieux monolithe dans l'orbite de Jupiter et au comportement étrange de H.A.L, le super ordinateur conscient du vaisseau.