Сюжет фильма построен вокруг иноземных артефактов, позднее названных «монолитами». Первый из них на заре человечества прибыл на Землю и научил древних австралопитеков пользоваться предметами в качестве инструментов и оружия. Позднее он был найден земными археологами. Он имел правильную форму параллелепипеда с соотношением сторон 1:4:9 (12:22:32), абсолютно чёрный цвет и не поддавался воздействию никаких инструментов и излучений.
Когда технологии людей в конце XX века достигли возможности посещения Луны, на Луне был обнаружен второй такой же «монолит» (отличающийся лишь размерами), погребённый под толщей лунного грунта в центре магнитной аномалии TMA-1. Он находился под поверхностью Луны, и когда его попытались извлечь, в лучах Солнца он неожиданно послал мощный сигнал во внешний космос.
При тщательном анализе направления предполагаемого места назначения сигнала был обнаружен на орбите Юпитера третий «монолит», гораздо больший, чем первые два.
Чтобы исследовать этот «монолит», было решено использовать готовящуюся экспедицию «Discovery One» по исследованию кольца и спутников Сатурна.
Так как к тому времени люди ещё не совершали столь длительные перелёты, то было решено ввести команду исследователей в состояние анабиоза, а полёт доверить трём членам экипажа — двум пилотам НАСА и новейшему компьютеру с искусственным интеллектом HAL 9000. Однако помимо логических построений, в алгоритмы работы HAL 9000 были привнесены и имитации человеческих эмоций, а также жёсткие инструкции об истинной цели экспедиции со стороны военных, что и предопределило трагический исход экспедиции.
HAL 9000, испытывая необъяснимые затруднения в сокрытии истинной цели экспедиции (о «монолите» никто из экипажа не должен был узнать до тех пор, пока Дискавери не достигнет его), сначала «солгал» членам экипажа о неисправности блока антенны связи с Землёй, а затем, в ответ на разговор пилотов о недоверии искусственному интеллекту, убил одного из членов экипажа в открытом космосе и отключил системы жизнеобеспечения учёных. Чудом выживший Дэйв Боумэн (Кир Далли) смог деактивировать HAL 9000 и достичь Юпитера. Там ему была объяснена истинная цель экспедиции — третий «монолит», но когда попытался обследовать его, то был унесён «за бесконечность» (так называется последняя глава фильма, англ. «Beyond the Infinity»). Боумэн перенёсся в странную комнату, где он с огромной скоростью (для зрителя) постарел. А на его смертном одре четвёртый «монолит» превратил Боумэна в «дитя звёзд».

Награды и номинации :
Премия «Оскар» (1969)
- Приз «Оскар» в категории «Лучшие спецэффекты»
- Номинация на приз «Оскар» в категории «Лучший режиссер»
- Номинация на приз «Оскар» в категории «Лучший сценарий»
- Номинация на приз «Оскар» в категории «Лучший художественный дизайн и декорации»
Премия «БАФТА» (1969) (Главная кинопремия Великобритании)
- Приз «БАФТА» в категории «Лучший художественный дизайн»
- Приз «БАФТА» в категории «Лучшая операторская работа»
- Приз «БАФТА» в категории «Лучший саундтрек»
- Номинация на приз «БАФТА» в категории «Лучший фильм» (Стэнли Кубрик)
- Номинация на приз «Премия UN» (Стэнли Кубрик)
Премия Давида ди Донателло (1969) (Главная кинопремия Италии)
- Приз «Давид» в категории «Лучший иностранный фильм» (Стэнли Кубрик)
Премия Круга испанских киносценаристов (1969)
- Приз «КИК» в категории «Лучший иностранный фильм»
Премия Режиссерской гильдии Америки (1969)
- Номинация на приз «РГА» в категории «Выдающиеся режиссерские достижения» (Стэнли Кубрик)
Премия «Хьюго» (1969)
- Приз «Хьюго» в категории «Лучшая драматическая презентация»
Премия Круга кинокритиков Канзас-Сити (1969)
- Приз «КККС» в категории «Лучший фильм»
- Приз «КККС» в категории «Лучший режиссер»
Премия «Лавр», США (1969)
- Приз «Золотой лавр»
Премия Национального правления охраны кинематографического наследия, США (1991)
- Премия «Национальная Регистрация Фильма»