整个故事开始于地球上居住的原始的猿猴。它们因为某个巨大的黑石板产生的进化，并因此而懂得并使用工具来狩猎动物。随后，故事来到了人类科技已有能力能够运送自己到月球去的时候。美国的月球基地发现了相同的黑石板，由于黑石板明显为非自然产物，当局决定对此发现严格保密，月球基地因此有新型传染病的流言，而与此同时科学家开始对黑石板进行研究。他们发现这块黑石板是一个发射器，因为它发出了一种尖锐的讯号，射向木星。 18个月之后，一艘发现号太空船被委派到木星调查讯号的终点。太空船上的人员包括大卫·鲍曼博士, 法兰克·普尔，和一台先进且具有 人工智能超智慧电脑HAL 9000来控制整艘太空船。此外，太空船上还有三位处于冬眠状态科学家。但是远航之旅逐渐变为可怕的旅行，超智慧电脑HAL发现大卫·鲍曼与法兰克·普尔打算将他的主机关闭。对超智慧电脑来说，关闭它的主机将杀死它，所以超智慧电脑决定先发制人，杀害三位冬眠状态科学家及用制造假故障的状况，让法兰克·普尔去太空船外修理，然后用HAL的小型艇将法兰克·普尔的氧气剪断，导致法兰克·普尔缺氧而死。而唯一幸存者大卫·鲍曼在设法关闭HAL电脑的同时，到达木星。此时大卫·鲍曼发现一个更大的黑石板出现在轨道上。 当他去调查石板时，不自主被传送到无限远的地方。许久之后，大卫·鲍曼发现小艇已停在一间布置华丽的房间里。突然大卫·鲍曼发现到自己正以极快的速度老去，在躺在床上老死之前，他看见巨大第四块石板出现在面前，而他也转变成婴孩一般，飘浮在宇宙中凝望着数之不尽的星星。