Кто мы? Какое место мы занимаем во Вселенной? Эти вопросы стоят перед героями фильма. Экипаж космического корабля С. С. Дискавери — капитаны Дэйв Боумэн, Фрэнк Пул и их бортовой компьютер ХЭЛ-9000 — должны исследовать район галактики и понять, почему инопланетяне следят за Землей. На этом пути их ждет множество неожиданных открытий…

Доктор Райан Стоун, блестящий специалист в области медицинского инжиниринга, отправляется в свою первую космическую миссию под командованием ветерана астронавтики Мэтта Ковальски, для которого этот полет — последний перед отставкой. Но во время, казалось бы, рутинной работы за бортом случается катастрофа. Шаттл уничтожен, а Стоун и Ковальски остаются совершенно одни; они находятся в связке друг с другом, и все, что они могут, — это двигаться по орбите в абсолютно черном пространстве без всякой связи с Землей и какой-либо надежды на спасение.