Een mysterieuze steen geeft de mensheid in een ver verleden een evolutionaire duw vooruit, en duizenden jaren later, in 1999, wordt eenzelfde steen op de maan gevonden. In 2001 moet ruimteschip S.S. Discovery en zijn bemanning, Kapitein Dave Bowman en Frank Poole, samen met boordcomputer HAL-9000 onderzoeken wat er eigenlijk aan de hand is.