Dans un XXIe siècle où la fonte des glaces a submergé la majorité des terres habitables et provoqué famines et exodes, les robots sont devenus une composante essentielle de la vie quotidienne, et assurent désormais la plupart des tâches domestiques. Pourtant, le professeur Hobby veut aller encore plus loin en créant le premier androïde sensible : un enfant capable de développer un vaste répertoire d'émotions et de souvenirs. Peu après cette annonce, David, un robot de onze ans, fait son entrée chez Henry et Monica Swinton, un couple dont le jeune fils a été cryogénisé en attendant la découverte d'un remède pour guérir sa grave maladie. Bientôt abandonné par sa mère adoptive, David entame un périlleux voyage à la recherche de son identité et de sa part secrète d'humanité.

Aux temps préhistoriques, une petite tribu d’hommes‐singes installée au milieu de rochers arides lutte difficilement pour la vie. Un matin, ils trouvent devant eux une mystérieuse dalle noire monolithique. L’un des singes touche la pierre et apprend alors à se servir d’un os de quadrupède pour tuer ses ennemis. Quatre millions d’années plus tard, en 2001, un savant de l’espace, le Dr Heywood Floyd, débarque sur la lune pour examiner une dalle noire semblable à celle des singes, qui était enterrée sous la surface de l’astre. Selon les premières observations, l’objet émettrait un signal mystérieux…

Conviés à une soirée donnée par leur ami Victor Ziegler, le docteur William « Bill » Harford et son épouse Alice font, chacun de son côté, l'objet de tentatives de séduction plutôt osées. L'un et l'autre résistent à la tentation. Cependant, le lendemain, Alice avoue à son mari qu'elle a naguère songé à le tromper et regrette aujourd'hui de ne pas être passée à l'acte. Très ébranlé par cette révélation, William se rend chez une patiente, une jeune femme vulnérable qui vient de perdre son père. Celle-ci, contre toute attente, lui déclare sa flamme. De plus en plus perturbé, il choisit de s'enfuir. Dans la rue, il se fait accoster par une jeune prostituée, Domino, qui l'entraîne chez elle…

Pendant la guerre du Viêt Nam, la préparation et l’entraînement d’un groupe de jeunes marines, jusqu’au terrible baptême du feu et la sanglante offensive du Tết à Hue, en 1968.