這部影片是庫布里克花了四年時間制作的充滿哲學命題的鴻篇巨制。一塊大黑石樹立在史前人類的面前，他們剛剛開始認識工具，進入到進化的里程碑。同樣的黑石還在宇宙多處出現，它們矗立在月球上，漂浮在太空中，帶着某種神秘的寓意。現在的時間是2001年，為了尋找黑石的根源，人類開展一項木星登陸計劃。飛船上有冬眠的三名宇航員，大衛船長（凱爾·杜拉 Keir Dullea飾）、富蘭克飛行員（加里·洛克伍德 Gary Lockwood飾），還有一部叫「HAL9000」的高智能電腦。HAL在宇宙飛行過程中發生錯亂，令到富蘭克和三名冬眠人員相繼喪命，剩下波曼和這台電腦作戰。從死亡線上回來的大衛一氣之下關掉主腦系統，HAL徹底失效。現在，茫茫宇宙中只剩大衛一人，向木星進發。穿越瑰異壯觀的星門，大衛仿佛去到一個奇特的時空，那里有人類無盡的生死輪回和宇宙的終極知識……