400万年前,非洲草原上的猿人因一块黑色巨石的启示学会使用工具,迈出进化的关键一步。2001年,人类在月球发现相同的黑石,它向木星发射信号。美国政府派遣“发现号”飞船前往调查,船员包括船长大卫·鲍曼(凯尔·杜拉 饰)、副驾驶弗兰克·普尔(加里·洛克伍德 饰)、三名冬眠科学家,以及人工智能HAL 9000(道格拉斯·雷恩 饰 )。HAL因任务真相与人类产生冲突,在察觉船员计划关闭它后,杀死冬眠科学家和弗兰克。大卫与HAL搏斗并成功将其关闭,独自前往木星。在木星轨道,他遭遇另一块黑石,穿越“星门”进入超现实空间,经历快速衰老,最终化为“星童”——象征人类进化的新阶段。
