Un mystérieux monolithe émet de curieux signaux depuis l'aube de l'humanité. A sa rencontre sur Jupiter part ce fruit de la technologie du XXIe siècle qu'est le vaisseau spatial Discovery. A son bord, l'ordinateur Hal assassine ses passagers, sauf Bowman qui le déconnecte. Il rencontre le monolithe et découvre ainsi un nouvel espace-temps...
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