Astronaut David Bowmann (K. Dullea) pozvan je u glavni stožer svemirskih istraživanja da preuzme, zajedno sa svojom skupinom, nov i vrlo neobičan zadatak. Zapovijed je dokučiti tajanstvenu, misterioznu funkciju geometrijski pravilnog crnog monolita iz Mjesečeva kratera. Kontrola leta povjerena je najnovijem modelu računala - HAL-u 9000. No, računalo zakazuje i David ostaje u svemiru doživjevši potpunu preobrazbu.
Sam Bell ima još dva tjedna do kraja trogodišnjeg ugovora kojeg je potpisao s tvrtkom Lunar Industries. Tijekom te tri godine, Samov posao bio je skupljanje i slanje Heliuma-3 na Zemlju. Budući da nema direktnu komunikaciju sa Zemljom, osim poruka njegove vlastite žene koje s vremena na vrijeme stignu, Samov jedini prijatelj je GERTY, inteligentni kompjuter čija je funkcija brinuti se za njegove dnevne potrebe. Uz gotovo nikakav ljudski kontakt, Sam počinje vjerovati da je tri godine izolacije od ostatka civilizacije previše i uvjeren je da je počeo halucinirati. Sve što želi je vratiti se na Zemlju kako bi uživao sa svojom ženom i trogodišnjom kćerkom koja se rodila netom prije njegova odlaska na Mjesec. Međutim, dva tjedna prije isteka ugovora, Sam doživi nesreću kod jednog od strojeva koji skupljaju Helium-3, a nakon što se probudi otkriva zastrašujuću tajnu koja ga natjera da preispita svoj razum, vlastiti identitet, kompaniju u kojoj radi pa čak i kompjuter GERTY.
U središtu priče nalazi se odnos oca i sina, koji se proteže kroz virtualni i realni svijet: Sama Flynna (Garrett Hedlund), buntovnog 27-godišnjaka, progoni misteriozni nestanak njegovog oca Kevina Flynna (Oscarom i Grammyjem nagrađeni Jeff Bridges), nekoć najpoznatijeg istraživača virtualnih tehnologija. Istražujući neobičan signal poslan iz laboratorija Flynna starijeg - signal kojeg je mogao poslati jedino njegov otac – Sam biva uvučen u digitalni svijet u kojem je Kevin zarobljen već 20 godina. Uz pomoć neustrašive ratnice Quorre (Olivia Wilde), otac i sin kreću na putovanje kroz vizualno zapanjujući digitalni svijet kojeg je stvorio Kevin, a kojim vlada nemilosrdni nitkov koji neće prezati ni pred čim kako bi spriječio njihov bijeg.
Mlada žena i njen momak daju se u bijeg dok je njihova zemlja zahvaćena neočekivanim ratom s umjetnom inteligencijom. Nekoliko dana prije rođenja njihovog prvog djeteta, moraju preći uporište pobune androida, u nadi da će stići na sigurno područje prije porođaja.
Jacq Vaucan agent moćne korporacije specijalizirane za razvoj robota i sličnih tehnologija. Njegov zadatak je istraživanje slučajeva u kojima su roboti prekršili prvi protokol i naudili ljudima. No, tijekom naizgled rutinske istrage, Jacq će otkriti nešto što bi zauvijek moglo promijeniti odnos čovjeka i robota.