Сюжет фильма закручен вокруг «монолитов» – неземных артефактов черного цвета, на которые ничем нельзя было воздействовать. Первый такой монолит попал на Землю, когда человечество еще только начало зарождаться. Он научил древних людей использовать предметы как инструменты или оружие. В XX веке человечество развило свои технологии настолько, что могло отправиться на Луну. Там то и был обнаружен второй такой монолит. Он находился под слоем грунта в Лунной магнитной аномалии. Как только его попытались извлечь, он сразу же отправил мощный сигнал в космос.
Отследив направление сигнала, на орбите Юпитера был обнаружен еще один монолит, который был гораздо больше Лунного. В это время как раз готовилась экспедиция «Дискавери», и было принято решение отправить ее к Юпитеру. Лететь до Юпитера очень долго, и поэтому экипаж был введен в состояние анабиоза, а управлять полетом было поручено двум пилотам НАСА и бортовому компьютеру с искусственным интеллектом HAL 9000. Члены экипажа и пилоты не знали, что их целью по прилету на Юпитер будет третий монолит, и только в HAL 9000 были заложены четкие инструкции от военных.
Во время полета у HAL 9000 возникли проблемы с сокрытием цели миссии. Ему пришлось солгать о том, что сломался блок антенны связи с Землей, убить одного из пилотов имитировав несчастный случай во время его выхода в открытый космос, а затем вообще отключить от системы жизнеобеспечения ученых, находящихся в анабиозе. Выжить удалось только Дейву Боумену. Он смог отключить HAL 9000 и добраться до Юпитера. Там он узнал о том, что целью экспедиции был третий монолит. При попытке обследовать его Дейв был унесен «за бесконечность» и оказался в странной комнате, где быстро постарел, и прямо перед смертью уже четвертый монолит превратил его в «Звездное дитя». В последней сцене Боумен в новом обличье смотрит на Землю из космоса.
