На протяжении более чем двух часов перед зрителем разворачивается неторопливый сюжет фильма, построенный вокруг иноземных артефактов, позднее названных «монолитами». Первый из них на заре человечества прибыл на Землю и научил древних австралопитеков пользоваться предметами в качестве инструментов и оружия. Позднее он был найден земными археологами. Он имел правильную форму прямоугольного параллелепипеда с соотношением сторон 1:4:9 (1²:2²:3²), абсолютно чёрный цвет и не поддавался воздействию никаких инструментов и излучений.
Когда технологии людей в конце XX века достигли возможности посещения Луны, на Луне был обнаружен второй такой же «монолит» (отличающийся лишь размерами), погребённый под толщей лунного грунта в центре магнитной аномалии ЛMA-1 (Лунная магнитная аномалия). Он находился под поверхностью Луны, и когда его попытались извлечь, в лучах Солнца он неожиданно послал мощный сигнал во внешний космос.
При тщательном анализе направления предполагаемого места назначения сигнала на орбите Юпитера был обнаружен третий «монолит», гораздо больший, чем первые два. Чтобы исследовать этот «монолит», было решено использовать готовящуюся экспедицию «Дискавери» по исследованию колец и спутников Сатурна.
Так как к тому времени люди ещё не совершали столь длительные перелёты, то было решено ввести команду исследователей в состояние анабиоза, а полёт доверить трём членам экипажа — двум пилотам НАСА и новейшему компьютеру с искусственным интеллектом HAL 9000. Однако помимо логических построений и имитации человеческих эмоций, в алгоритмы работы HAL 9000 были привнесены жёсткие инструкции об истинной цели экспедиции со стороны военных, что и предопределило трагический исход экспедиции.
HAL 9000, испытывая необъяснимые затруднения в сокрытии истинной цели экспедиции (о «монолите» никто из экипажа не должен был узнать до тех пор, пока «Дискавери» не достигнет его), сначала «солгал» членам экипажа о неисправности блока антенны связи с Землёй, а затем, в ответ на разговор пилотов о недоверии искусственному интеллекту, убил одного из членов экипажа в открытом космосе, имитировав несчастный случай, и затем отключил системы жизнеобеспечения находящихся в анабиозе учёных. Чудом выживший Дейв Боумен (Кир Дулли) смог деактивировать HAL 9000 и достичь Юпитера. Там ему была объяснена истинная цель экспедиции — третий «монолит», но когда Боумен попытался обследовать его, то был унесён «за бесконечность» (так называется последняя глава фильма, (англ. Beyond the Infinite), по книге — за двадцать тысяч световых лет от Земли. Боумен оказался в странной комнате, где он с огромной скоростью (для зрителя) постарел. А на его смертном одре четвёртый «монолит» превратил Боумена в «Звёздное дитя». В финале картины зритель видит Боумена в новом обличье взирающим на Землю из космоса.
0 
