À la recherche d'une vie intelligente extra-terrestre, la "mission Jupiter" tourne court et devient, par une suite de dérèglements, l'objet d'une confrontation d'un genre inédit : d'un côté, l'astronaute David Bowman et, de l'autre, l'ordinateur de bord HAL 9000, engagés dans un duel à mort.
Un motif décliné dès les premiers plans, où l'on découvre Frank Poole, le coéquipier de Dave, en plein entraînement sportif ("shadow boxing") : une succession de changements de cadrage vient questionner l'identité de l'adversaire invisible à qui il porte ses coups fictifs. Au plan suivant, HAL apparaît pour la première fois.
À la suite d'une inquiétante erreur dans la détection d'une panne, les deux astronautes décident de débrancher l'ordinateur pour l'empêcher de mettre leur mission en péril. Folie ou pur instinct de survie ? Comme dans la partie d'échecs qu'il joue avec Frank, HAL porte stratégiquement ses coups et élimine un à un les membres de l'équipage.
Ultime survivant, Dave pénètre dans la salle des mémoires et procède à la mise à mort de l'ordinateur en dépit des supplications et de son effrayante humanité.
Jeu de reflets dans "l'œil" hypnotique de la machine et visage humain redessiné par les lumières des innombrables écrans de contrôle, jeu minimaliste de l'acteur et voix suave de l'ordinateur, cet effet de miroir entre l'humanisation de la machine et la mécanisation de l'homme manifeste l'une des problématiques centrales de 2001 : la dualité de la technologie, à la fois idéal de civilisation et potentiel d'autodestruction de l'espèce.
Ce paradoxe du progrès, posé dès le début du film à "l'aube de l'humanité", par la découverte de l'outil qui se transforme immédiatement en arme, trouve son prolongement à un nouveau stade de l'évolution dans ce face-à-face avec l'intelligence artificielle.