Planeta Ziemia, plejstocen, sawanny Afryki równikowej.

Małe plemię Pitekantropa jest na skraju wyginięcia. Natura nie obdarzyła ich potężnymi kłami, ani ostrymi pazurami, ani szybkimi nogami, ale błyski świadomości migotały w ich oczach. Prawdopodobnie właśnie te cechy przyciągnęły uwagę jakiejś wysoko rozwiniętej cywilizacji pozaziemskiej, która ostrożnie pielęgnuje nasiona Umysłu wszędzie tam, gdzie można je znaleźć. Pitekantrop staje się eksperymentalny w wielkim kosmicznym eksperymencie.

Pewnej nocy w dolinie rzeki pojawia się blok całkowicie przezroczystego materiału. O zmierzchu, gdy plemię powraca do jaskiń, niezwykły kamień nagle wydaje dziwny wibrujący dźwięk, który przyciąga Pitekantropa jak magnes. W gęstniejącej ciemności kryształ ożywa, zaczyna świecić, w jego głębi pojawiają się dziwne rysunki. Zaczarowany Pithecanthropus nie wie, że w tych momentach urządzenie bada mózg, ocenia ich zdolności, przewiduje możliwe kierunki ewolucji. Kryształ woła do siebie nawzajem, a oni, oprócz swojej woli, wykonują nowe ruchy: niegrzeczne palce wiążą pierwszy węzeł na Ziemi, przywódca podnosi kamień w dłonie i próbuje trafić w cel. Lekcje odbywają się każdej nocy. W ciągu roku życie plemienia zmienia się nie do poznania - teraz Pitekantrop może korzystać z zestawu prostych narzędzi, polować na duże zwierzęta. Wieczny głód i strach przed drapieżnikami odchodzą w przeszłość, jest czas na pracę myśli i wyobraźni. Tajemniczy monolit znika tak nagle, jak się pojawił. Jego misja została zakończona - zwierzę obdarzone inteligencją pojawiło się na Ziemi.

XXI wiek Amerykańscy naukowcy znajdują na Księżycu, już zamieszkanym przez ludzkość, pierwszy niezbity dowód na istnienie cywilizacji pozaziemskiej.

Jak dowodzi pilnie wezwany na Księżyc przewodniczący Narodowej Rady Astronautyki, zwiad magnetyczny wykrył silne zniekształcenie pola magnetycznego w pobliżu krateru Tycho, a w wykopaliskach w centrum anomalii znaleziono równoległościan o idealnych proporcjach z nieznanej na Ziemi bardzo ciężkiej czarnej materii na głębokości sześciu metrów. Najbardziej uderzającą rzeczą w tym znalezisku jest jego wiek: analiza geologiczna sugeruje, że monolit został tu pochowany około trzech milionów lat temu.

Kiedy wschodzi światło księżyca, a czarny monolit po raz pierwszy łapie promień słońca po trzech milionach lat uwięzienia, w słuchawkach ludzi wokół słychać przeszywający elektroniczny krzyk. Sygnał ten jest wykrywany przez monitory kosmiczne i sondy, a komputer centralny, po przetworzeniu informacji, stwierdza: ukierunkowany impuls energii, oczywiście sztucznego pochodzenia, rzucony z powierzchni Księżyca w kierunku Saturna.

Wszystko to jest znane tylko garstce ludzi, ponieważ konsekwencje szoku, który ludzkość nieuchronnie będzie musiała znieść, są nieprzewidywalne.

Przestrzeń międzyplanetarna. Discovery Spaceship. Pierwsze miesiące lotu przebiegają w spokojnym spokoju. Dwaj przebudzeni członkowie załogi - Frank Poole i David Bowman - codziennie pełnią straż. Pozostałe trzy są zanurzone w sztucznym hipotermicznym śnie, z którego obudzą się dopiero, gdy Odkrycie wejdzie na orbitę Saturna. Tylko te trzy osoby znają prawdziwy cel wyprawy - możliwy kontakt z cywilizacją pozaziemską, podczas gdy Poole i Bowman rozważają lot w zwykłą podróż badawczą. Ci, którzy przygotowali wyprawę, uznali, że jest to konieczne dla bezpieczeństwa i interesów narodu.

W rzeczywistości statek nie jest kontrolowany przez ludzi, ale przez szóstego członka załogi, Eal - mózg i układ nerwowy Discovery, heurystycznie zaprogramowany komputer algorytmiczny. Eal stworzony w procesie podobnym do rozwoju ludzkiego mózgu można słusznie nazwać prawdziwie myślącą maszyną i przemawia do ludzi w prawdziwym, przenośnym ludzkim języku. Wszystkie możliwości EAL mają na celu spełnienie danego programu wyprawy, ale sprzeczność między celem a potrzebą ukrycia go przed innymi ludźmi stopniowo niszczy integralność jego „psychiki”. Maszyna zaczyna popełniać błędy, a w końcu pojawia się kryzys: słysząc astronautów rozmawiających z Ziemią o potrzebie wyłączenia EAL i przekazania kontroli do Centrum, podejmuje jedyną możliwą decyzję: pozbyć się ludzi i samodzielnie ukończyć wyprawę. Naśladuje wypadek antenowy, a kiedy Frank Poole udaje się w przestrzeń kosmiczną, aby zastąpić blok, EAL go zabija: łódź-kapsuła z pełną prędkością leci do astronauty. A w następnej chwili oszołomiony Bowman widzi na ekranie, że łódź opuszcza statek, ciągnąc ciało zmarłego przyjaciela razem z nim na linie bezpieczeństwa. Frank Poole pierwszy z ludzi pojedzie na Saturna.

Bowman próbuje obudzić jednego ze śpiących ludzi, ale słyszy dźwięk, który powoduje, że jego serce robi się zimne: drzwi zewnętrznej klapy otwierają się, a powietrze ze statku wpada w otchłań kosmosu. Udaje mu się uciec w komorze ratunkowej, założyć skafander kosmiczny i odłączyć wyższe centra elektronicznego mózgu. Pozostaje sam w milionach kilometrów od Ziemi. Ale silniki i systemy nawigacyjne statku są w dobrym stanie, przywrócono komunikację z Ziemią, a awaryjne dostawy tlenu potrwają miesiące. Wyprawa trwa, a Bowman, który jest świadomy swojego ostatecznego celu, dociera do gigantycznego martwego Saturna. Polecono mu rozpocząć badanie układu od ósmego satelity Saturna, Iapetus. Cała powierzchnia Iapetusa, pozbawiona atmosfery, jest czarna, przypominająca strukturę węgla drzewnego - z wyjątkiem białego płaskowyżu o uderzająco regularnym owalnym kształcie z czarnym znakiem w środku, który okazuje się być dokładnie takim samym czarnym monolitem jak na Księżyc, tylko gigantyczne rozmiary.

Eksperyment, rozpoczęty trzy miliony lat temu, zakończył się. Monolit w Japecie - Strażnik Gwiezdnych Wrót - został zainstalowany przez te same stworzenia, które wcale nie były jak ludzie, które wysłały tajemniczy kryształ na Ziemię i zakopały czarny blok na Księżycu. Ich wysiłki nie poszły na marne: Ziemia naprawdę dała początek rozumowi, zdolnemu dotrzeć do innych planet, a sygnał księżycowego monolitu, który wysłał wiadomości do Iapet, był tego potwierdzeniem.

David Bowman postanawia usiąść na Japecie w kapsule, a jej podejście budzi siły zawarte w Gwiezdnych Wrotach. Górna powierzchnia czarnego monolitu nagle wchodzi głębiej, kapsułka zaczyna opadać do szybu bez dna. To otworzyło Gwiezdne Wrota.

Czas się zatrzymuje - zegar przestaje odliczać sekundy - ale percepcja i świadomość nadal działają. Bowman widzi czarne ściany „kopalni” oraz w świetle niezliczonych gwiazd „rozpraszających się” od środka. Uświadamia sobie, że z czasem i przestrzenią dzieje się coś, co jest niedostępne dla jego zrozumienia, ale nie odczuwa strachu, czując, że znajduje się pod ochroną nieskończenie potężnego Rozumu. W końcu znajduje się setki lat świetlnych od Ziemi. Kapsuła dąży do gigantycznej czerwonej gwiazdy, w królestwo ognia, ale kiedy podróż się kończy, Bowman myśli, że oszalał - jest w zwykłym ziemskim hotelu. Dopiero po pewnym czasie zdaje sobie sprawę, że wszystko to jest dekoracja wykonana przez gospodarzy dla gościa w filmie telewizyjnym dwa lata temu. Bowman idzie spać i zasypia - po raz ostatni w życiu. Łączy się z kosmicznym umysłem, tracąc ciało fizyczne, uzyskuje zdolność poruszania się w czasie i przestrzeni za pomocą myśli i ratuje rodzimą planetę przed zbliżającą się katastrofą nuklearną.