这部影片是库布里克花费四年时间精心打造的哲学巨作。故事发生在史前时代，一块巨大的黑石矗立在人类面前，象征着他们刚刚认识工具并进入进化的里程碑。这块黑石也在宇宙中多处出现，如月球和太空中，它们似乎承载着某种神秘的意义。
现在的时间是2001年，为了寻找黑石的根源，人类启动了一项木星登陆计划。飞船上包括冬眠的三名宇航员：大卫船长（由凯尔·杜拉饰演）、弗兰克飞行员（由加里·洛克伍德饰演），以及一台名为“HAL 9000”的高智能电脑。HAL在宇宙飞行过程中发生错乱，导致富兰克和三名冬眠人员相继丧命，只剩下波曼与这台电脑并肩作战。
从死亡线上回来的大卫一气之下关闭了主脑系统，使HAL彻底失效。现在，在茫茫宇宙中只剩下大卫一人，他向木星进发。穿越瑰异壮观的星门后，大卫仿佛进入了一个奇特的时空，那里有人类无尽的生死轮回和宇宙的终极知识。
