整个故事开始于地球上居住的原始的猿猴。它们因为某个巨大的黑石板产生的进化,并因此而懂得并使用工具来狩猎动物。随后,故事来到了人类科技已有能力能够运送自己到月球去的时候。美国的月球基地发现了相同的黑石板,由于黑石板明显为非自然产物,当局决定对此发现严格保密,月球基地因此有新型传染病的流言,而与此同时科学家开始对黑石板进行研究。他们发现这块黑石板是一个发射器,因为它发出了一种尖锐的讯号,射向木星。
18个月之后,一艘发现号太空船被委派到木星调查讯号的终点。太空船上的人员包括大卫·鲍曼博士, 法兰克·普尔,和一台先进且具有 人工智能超智慧电脑HAL 9000来控制整艘太空船。此外,太空船上还有三位处于冬眠状态科学家。但是远航之旅逐渐变为可怕的旅行,超智慧电脑HAL发现大卫·鲍曼与法兰克·普尔打算将他的主机关闭。对超智慧电脑来说,关闭它的主机将杀死它,所以超智慧电脑决定先发制人,杀害三位冬眠状态科学家及用制造假故障的状况,让法兰克·普尔去太空船外修理,然后用HAL的小型艇将法兰克·普尔的氧气剪断,导致法兰克·普尔缺氧而死。而唯一幸存者大卫·鲍曼在设法关闭HAL电脑的同时,到达木星。此时大卫·鲍曼发现一个更大的黑石板出现在轨道上。
当他去调查石板时,不自主被传送到无限远的地方。许久之后,大卫·鲍曼发现小艇已停在一间布置华丽的房间里。突然大卫·鲍曼发现到自己正以极快的速度老去,在躺在床上老死之前,他看见巨大第四块石板出现在面前,而他也转变成婴孩一般,飘浮在宇宙中凝望着数之不尽的星星。
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