18个月后,“发现一号”宇宙飞船向木星进发,船上的指挥官是大卫-鲍曼,副指挥官弗兰克-普尔,另有三名担负科研任务的成员进入了休眠期,在任务开启时才会醒来。
飞行途中,控制飞船的人工智能中枢哈尔9000忽然出现了问题,先是谎报控制通讯装置的某个零件将在72小时内发生故障,被识破后,为了先发制人,它用太空舱撞断了正在更换零件的普尔的氧气管,令他坠入茫茫太空。
之后,哈尔断电结束了三位休眠者的生命,并拒绝为出舱营救普尔失败的鲍曼打开舱门;唯一幸存的鲍曼凭借冷静与果断,冒险通过紧急密封舱进入飞船,直奔哈尔的逻辑记忆中枢,将哈尔彻底关闭。