Czarny monolit ma wpływ na ludzi, a efekty monolitu skupiają się na dwóch określonych okresach czasu. Pierwszy okres to cztery miliony lat temu, u zarania człowieka. Po pojawieniu się monolitu małpoludzie zaczynają zachowywać nieznane wcześniej zachowania. Drugi okres to najbliższa przyszłość, rok 2001. Na pokładzie Discovery One, który odbywa misję na Jowisz, znajduje się pięciu astronautów. Na początku misji przyczyna tego nie jest znana pięciu astronautom. Trzech astronautów jest w stanie hibernacji na początku misji, aby zachować siłę roboczą przez cały czas, pozostawiając dowódcę misji, dr Dave'a Bowmana i dr. Franka Poole'a jako dwóch załogantów statku kosmicznego. Na pokładzie jest jeszcze jeden, często uważany za „szóstego” astronautę, HAL 9000 – zwany po prostu Hal – sztuczny inteligentny komputer, który kontroluje wszystkie funkcje statku, w tym systemy utrzymujące przy życiu trzech astronautów w stanie hibernacji. Hal staje się jeszcze bardziej podobny do astronauty, ponieważ otrzymuje sztuczny głos, Hal i astronauci często prowadzą rozmowy. Komputer z serii 9000 jest uważany za nieomylny, każdy błąd, który kiedykolwiek popełnił człowiek. Ostatecznie Bowman i Poole uważają, że Hal działa nieprawidłowo, nie są świadomi, że zachowanie Hala wynika z wiedzy o tajnych informacjach, jakie posiada o wydarzeniach w Clavius, księżycowej placówce, osiemnaście miesięcy wcześniej. Jednak sprawa między astronautami a Halem staje się walką o przetrwanie. Całość misji ma głębokie konsekwencje dla rodzaju ludzkiego.
