En 2018, les nations ont disparu, remplacées par des cartels économiques planétaires qui regroupent les activités humaines en six départements : l'énergie, le luxe, l'alimentation, le logement, les communications et les transports. Ces corporations dirigent des formations sportives pratiquant le rollerball, sport violent ne permettant pas l'émergence de vedettes individuelles.
Le film commence par une succession d'images présentant l'industrialisation de la planète amorcée au XIX siècle et amplifiée durant le XX siècle et le XXI siècle, celle-ci conduisant à la surpopulation et à la pollution mondiale. Les ressources naturelles étant maintenant épuisées, la population est nourrie par Soylent Industries, une entreprise qui fabrique des aliments de synthèse à partir du plancton océanique.
En Angleterre, dans un proche avenir, Alex DeLarge (Malcolm McDowell), jeune délinquant passionné par la musique de Beethoven (qu'il appelle la plupart du temps « Ludwig Van »), spécialement la 9e symphonie, est obsédé par le sexe (« des parties de ça-va-ça-vient » dit-il) et adepte de la violence (« ultraviolence » dans son propre jargon).
Dans une société souterraine du futur, les hommes vivent sous sédatifs. Ils sont socialement brimés par un pouvoir totalitaire et invisible au sein d'un univers blanc monochrome. Sous l'impulsion de sa compagne LUH 3417, l'ouvrier THX 1138 accepte de fuir avec elle.
Le film est divisé en quatre actes distincts. Daniel Richter incarne l'Australopithecus afarensis qui découvre l'usage de l'outil après avoir touché le monolithe dans le premier acte qui se déroule « à l'aube de l'humanité » ; William Sylvester joue le docteur Heywood R. Floyd dans le second acte quand, en 2001, le même monolithe est découvert sur la Lune. Keir Dullea (Dr David Bowman) et Gary Lockwood (Frank Poole) apparaissent dans le troisième acte en tant qu'astronautes entreprenant un voyage vers Jupiter à bord du vaisseau Discovery One, suivant le signal émis par le monolithe lorsqu'il a été découvert sur la Lune. Douglas Rain est la voix de l'ordinateur de bord sentient HAL 9000, qui commande toutes les fonctions du vaisseau. Dans l'acte final, le film suit le périple de l'astronaute David Bowman « au-delà de l'infini ».
L'histoire s'articule en trois grands actes.
Après la chute de leur avion dans l'océan Pacifique, un groupe de jeunes garçons britanniques âgés de six à douze ans se retrouve seul sur une île montagneuse.
1995. Le monde est divisé en deux fédérations. L’une a pour capitale New York, l’autre Londres. La Deuxième Guerre mondiale est sur le point d’éclater, mais une ligue pacifique parvient à l’éviter au dernier moment.