在史前時代，一塊神秘黑石降臨原始人類部落，促使猿人首次掌握工具使用。百萬年后，同類黑石在月球被發現并發出指向木星的信號。2001年，人類派遣載有冬眠機組人員的"發現號"飛船執行木星探索計劃。隨行的高智能電腦HAL9000因任務機密性與自身邏輯產生矛盾，導致系統紊亂并引發致命故障。在殺害飛行員富蘭克及三名冬眠科學家后，HAL與唯一幸存者大衛船長展開對抗。大衛成功關閉主控系統，獨自穿越木星軌道的巨型星門，在超維度空間目睹宇宙洪荒與自身生命的輪回幻象。最終，經歷認知躍遷的大衛化作漂浮于地球軌道的發光胚胎——"星童"，在人類文明循環往復的歷史長河中開啟新的進化篇章。