Podobny monolit do tego, który był świadkiem ewolucyjnego skoku u hominidów (zbieracz–padlinożerca staje się myśliwym, wykorzystującym narzędzia służące do zabijania) na Ziemi, zostaje odkryty po tysiącach lat przez zespół geologów na Księżycu. Nieznane jest jego pochodzenie ani cel. Wiadomo jedynie, że wysyła sygnały radiowe w kierunku Jowisza. W kierunku tej planety zostaje wysłany statek „Discovery”, gdzie oprócz dwóch naukowców i zahibernowanej załogi, znajduje się najdoskonalszy wynalazek uczonych – wyposażony w sztuczną inteligencję komputer HAL 9000. Komputer, obdarzony samoświadomością i uczuciami, buntuje się przeciw ludziom i postanawia zgładzić załogę statku. Ratuje się jedynie dr David Bowman (Keir Dullea), który wyłącza po kolei układy HAL-a. Bowman, który dociera do orbity Jowisza, udaje się w psychodeliczną podróż przez bramę „pełną gwiazd” przez czas i przestrzeń, doświadczając własnej starości, śmierci, a także ponownych narodzin w innej fazie egzystencji.