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 ».
964 Pinocchio est un androïde confectionné illégalement par un savant fou, et dont le but unique est de satisfaire les besoins sexuels de riches clientes. Jeté à la rue par sa «propriétaire», Pinocchio tombe par hasard sur Himiko, une sans-abri amnésique qui le prend sous son aile. Tandis qu’elle lui apprend à retrouver un semblant d’humanité, l’ancienne personnalité d’Himiko remonte à la surface. De leur côté, les créateurs de Pinocchio quadrille la ville pour le retrouver.
À Cap Canaveral. La brillante adolescente Casey Newton (Brittany Robertson) est optimiste et douée d'une grande curiosité scientifique. Attrapée en plein sabotage nocturne du démontage d'une aire de lancement désaffectée où travaille son ingénieur de père Eddie pour la NASA, Casey termine sa nuit au commissariat. Le lendemain, elle trouve parmi ses affaires un pin's orné d'un T. Lorsqu'elle le touche, elle se retrouve projetée temporairement dans un lieu fantastique, à la technologie très avancée. Pour en apprendre davantage, Casey tente de se procurer un autre pin's. Aidée de son frère Nathan (Pierce Gagnon), elle découvre qu'une boutique de souvenirs de Houston en vend. Les vendeurs Hugo et Ursula deviennent agressifs pour savoir où elle a obtenu le pin's. Casey est sauvée par la jeune Athena (Raffey Cassidy), un robot venu de Tomorrowland. Cet endroit, situé quelque part dans le temps et l'espace, est en danger, et Casey pourrait le sauver.
Miles, un jeune homme malchanceux, rencontre le chien robot, A.X.L., devant servir d'essai militaire. Ayant des émotions, A.X.L décide de protéger son jeune « maître », qui va le réparer et le protéger de son créateur. A.X.L bien décidé à le protéger à son tour et fera tout pour qu'il ne lui arrive rien, jusqu'à subir de grands dommages qui pourraient causer sa destruction totale.
Dans un monde futuriste ravagé par le réchauffement de la planète et où la procréation est strictement encadrée, les êtres humains vivent en parfaite harmonie avec les « méchas », des robots androïdes spécialement créés pour répondre à leurs besoins : tâches ménagères, services et… amour ! Une famille, dont le fils est dans le coma, décide d'aller plus loin et d'adopter un enfant robot, David, programmé pour vouer un amour sans limites envers ses parents adoptifs. Entretemps, la science ramène à la vie leur enfant biologique, Martin.
En 2073, la Terre est un gigantesque champ de bataille. Des escouades de cyborgs nommés les A.P.E.X. sont programmés pour éliminer les derniers survivants humains, résistants au pouvoir des machines. Seul un homme, le scientifique Nicolas Sinclair, transporté accidentellement dans le passé en 1973 lorsqu'il travaillait sur les paradoxes temporels, peut empêcher l'anéantissement de la race humaine.
The film begins by depicting the development process that eventually results in the creation of the main character. It is explained that in a robotics laboratory, five androids were created as part of an experiment, each one identified with a different color, but one turned out to be different. The yellow one developed the ability to think and learn, to the point that it escaped the facility in which it had been created and became a part of society for 18 months. Rather than seeing humans as enemies or a threat to its own survival, it was "making decisions, and observing us and learning." A SWAT team is sent after Yellow, chasing him through several countries and finally tracking him down in Shanghai. The film concludes during the encounter between the android and the SWAT team, with a voice over suggesting the birth of a new era, with AI becoming part of our society.
Durant la préparation de la mission Prometheus, Peter Weyland ordonne à un androïde de prendre part à la mission. Weyland se présente comme le « créateur » de l'être synthétique et lui explique que cette mission a pour but de connaitre les créateurs des humains. Weyland demande ensuite à l’androïde de se choisir lui-même un prénom. Après avoir contemplé la célébrissime statue de Michel-Ange, il choisit alors « David ».
En 2379, 200 ans après le suicide d'Ellen Ripley (Sigourney Weaver) sur Fiorina-16, des scientifiques militaires parviennent à recréer un clone à partir d'échantillons de sang collectés avant sa mort. Après que la reine alien a été extraite du ventre de Ripley et placée en captivité, le clone de Ripley est maintenu en vie sur le vaisseau spatial USM Auriga pour complément d'étude. Son ADN s'étant mélangé avec celui de l'alien pendant le processus de clonage, la « nouvelle » Ripley développe une force accrue et des réflexes surhumains, du sang acidifié et un lien empathique avec les aliens.
Durant le voyage-retour du cargo spatial Nostromo après une mission commerciale de routine, l'équipage, cinq hommes et deux femmes plongés en hibernation depuis dix mois sont tirés de leur léthargie plus tôt que prévu par l'ordinateur de bord du vaisseau. Ce dernier a en effet capté des signaux sonores dans l'espace et, du fait d'une clause attenante à leur contrat de navigation, l'équipage du vaisseau est tenu de vérifier tout indice de vie extraterrestre.
2179. Ellen Ripley et ses compagnons rescapés (la jeune Newt, le caporal Hicks et l'androïde Bishop) dorment en biostase à bord du vaisseau spatial USS Sulaco, qui retourne vers la Terre après les évènements du deuxième épisode. Mais un facehugger présent à bord brise l'une des capsule de stase et son sang acide provoque un incendie. L’ordinateur de bord du Sulaco éjecte alors les cryotubes des quatre passagers dans une unité de sauvetage (EEV). La capsule s'écrase peu après sur Fiorina « Fury » 161, une planète-prison où se trouve une colonie minière.
Kal, un redoutable tueur condamné à mort, parvient à s'évader d'Alpha 7 à bord d'un vaisseau spacial avec, pour destination la Terre. a ses trousses, un chasseur androïde implacable et indestructible: Alienator. le vaisseau de Kal s'écrase dans une région montagneuse des Etats-Unis où son occupant est recueilli par des campeurs. mais l'arrivée d'Alienator va déclencher une vague d'horreur et de violence snas précédent: programmé pour anéantir l'évadé de l'espace, Alienator ne fait pas de détail et détruit tout sur son passage. le petit groupe s'enfuuit à travers les bois, multipliant les pièges pour retarder la progression du robot chasseur. mais rien ne semble arrêter la fureur dévastatrice d'Alienator.
Après 57 ans de dérive dans l'espace, Ellen Ripley est secourue par la corporation Weyland-Yutani. Malgré son rapport concernant l’incident survenu sur le Nostromo, elle n’est pas prise au sérieux par les militaires quant à la présence de xénomorphes sur la planète LV-426 où se posa son équipage… planète où plusieurs familles de colons ont été envoyés en mission de "terraformage". Après la disparition de ces derniers, Ripley décide d'accompagner une escouade de marines dans leur mission de sauvetage... et d’affronter à nouveau la Bête.