深邃浩瀚的外层空间，蔚蓝的地球与深不见底、漆黑一片的宇宙形成鲜明对比。一台隶属美国的空间站，数名宇航人员正进行太空漫步，对所属卫星做着例行检查。初上太空的瑞安·斯通博士（桑德拉·布洛克 Sandra Bullock 饰）在经验丰富的宇航员麦特·科沃斯基（乔治·克鲁尼 George Clooney 饰）的协助下，有条不紊地检查每一个部件。此次是科沃斯基退休前的最后一次飞行，他幽默风趣地活跃着团队的氛围。就在此时，休士顿总部传来骇人消息，不久前行将废弃俄罗斯卫星被导弹击毁，碎片以超过子弹的速度在地球轨道上散开，并意外击中其他卫星，引起连锁反应制造了新的碎片。
　　瑞安一行遭到碎片重创，有的同伴不幸身亡，而她和科沃斯基失去控制坠入宇宙深处。幸存的二人不得不彼此信赖，拼尽全力朝向故土前进……

　　这部影片是库布里克花了四年时间制作的充满哲学命题的鸿篇巨制。一块大黑石树立在史前人类的面前，他们刚刚开始认识工具，进入到进化的里程碑。同样的黑石还在宇宙多处出现，它们矗立在月球上，漂浮在太空中，带着某种神秘的寓意。
　　现在的时间是2001年，为了寻找黑石的根源，人类开展一项木星登陆计划。飞船上有冬眠的三名宇航员，大卫船长（凯尔·杜拉 Keir Dullea饰）、富兰克飞行员（加里·洛克伍德 Gary Lockwood饰），还有一部叫“HAL9000”的高智能电脑。HAL在宇宙飞行过程中发生错乱，令到富兰克和三名冬眠人员相继丧命，剩下波曼和这台电脑作战。
　　从死亡线上回来的大卫一气之下关掉主脑系统，HAL彻底失效。现在，茫茫宇宙中只剩大卫一人，向木星进发。穿越瑰异壮观的星门，大卫仿佛去到一个奇特的时空，那里有人类无尽的生死轮回和宇宙的终极知识……

　　效力于某知名搜索引擎公司的程序员加利·史密斯（多姆纳尔·格利森 Domhnall Gleeson 饰）幸运地抽中老板纳森（奥斯卡•伊萨克 Oscar Isaac 饰）所开出的大奖，他将受邀前往位于深山的别墅中和老板共度假期。在与世隔绝的别墅中，纳森亲切地接待了这位员工。 事实上他邀请加利到来还有另一个目的，那就是协助他完成其所开发的智能机器人的测试。天才一般的纳森研制了具有独立思考能力的智能机器人伊娃（艾丽西亚·维坎德 Alicia Vikander 饰），为了确认她是否具有独立思考的能力，他希望加利能为伊娃进行著名的“图灵测试”。似乎从第一眼开始，加利便为这台有着宛如人类般姣好容颜的机器人所吸引。
　　在随后的交流中，他所面对的似乎不是冷冰冰的机器，而更像是一个被无辜囚禁起来的可怜少女……

　　大卫（杰克·吉伦哈尔 Jake Gyllenhaal 饰）、米兰达（丽贝卡·弗格森 Rebecca Ferguson 饰）、罗里（瑞安·雷诺兹 Ryan Reynolds 饰）、秀（真田广之 饰）和休（阿利安·巴克瑞 Ariyon Bakare 饰）是在同一艘太空船上工作的宇航员们。一次偶然之中，他们在火星上发现了一个尚未成熟的生命体。休将这个生命体带回了实验室，让大家没有想到的是，这个小小的细胞在外界的刺激之下竟然开始了飞速的成长。
　　随着生命体的长大，事态的发展开始失去了控制，该生命体展现出了强大的攻击力和高超的智力，先后杀死了数名船员。不仅如此，大卫发现生命体似乎想随着飞船一起降落地球，而一旦它的阴谋得逞，地球上的人类势必将要面临灭顶之灾。