这部影片是库布里克花了四年时间制造的充溢哲学命题的鸿篇巨制一块大黑石树立在史先人类的面前，他们刚刚末尾看法工具，进入到退化的里程碑。异样的黑石还在宇宙多处出现，它们耸立在月球上，漂浮在太空中，带着某种奥秘的寓意。 

如今的时间是2001年，为了寻觅黑石的根源，人类展开一项木星登陆方案。飞船上有冬眠的三名宇航员，大卫船长（凯尔·杜拉 Keir Dullea饰）、富兰克飞行员（加里·洛克伍德 Gary Lockwood饰），还有一部叫“HAL9000”的高智能电脑。HAL在宇宙飞行进程中发作紊乱，令到富兰克和三名冬眠人员相继丧命，剩下波曼和这台电脑作战。 

从死亡线上回来的大卫一气之下关掉主脑系统，HAL彻底失效。如今，茫茫宇宙中只剩大卫一人，向木星进发。穿越瑰异壮观的星门，大卫似乎去到一个奇特的时空，那里有人类无尽的生死轮回和宇宙的终极知识……