Planéta Zem, pleistocén, savany z rovníkovej Afriky.
Na pokraji vyhynutia je malý kmeň Pithecanthropus. Príroda im nedala mocné tesáky ani ostré pazúry ani rýchle nohy, ale v ich očiach blikali záblesky vedomia. Pravdepodobne tieto vlastnosti upútali pozornosť niektorej vysoko rozvinutej mimozemskej civilizácie, ktorá starostlivo pestuje semená mysle všade tam, kde sa nachádzajú. Pithecanthropus sa stal experimentom vo veľkom vesmírnom experimente.
Jednej noci sa v údolí rieky objaví blok úplne priehľadného materiálu. Keď sa kmeň za súmraku vracia do jaskýň, neobvyklý kameň náhle vydá zvláštny vibračný zvuk, ktorý priťahuje Pithecanthropus ako magnet. V tlejúcej tme ožije kryštál, začne žiariť, v jeho hĺbkach sa objavujú bizarné kresby. Enchanted Pithecanthropus nevie, že v týchto okamihoch prístroj skúma ich mozog, hodnotí ich schopnosti, predpovedá možné smery vývoja. Krištáľ si volá jeden alebo druhý a oni okrem svojej vôle robia nové pohyby: neposlušné prsty zviažu prvý uzol na Zemi, vodca zdvihne kameň vo svojich rukách a pokúsi sa zasiahnuť cieľ. Lekcie pokračujú každú noc. V priebehu roka sa život kmeňa zmení na nepoznanie - teraz Pithecanthropus môže používať sadu jednoduchých nástrojov, loviť veľké zvieratá. Večné hladu a strachu z predátorov ustupujú do minulosti, je čas na prácu myslenia a fantázie. Tajomný monolit zmizne tak náhle, ako sa objavil. Jeho misia je splnená - na Zemi sa objavilo zviera vybavené inteligenciou.
XXI storočia Americkí vedci na Mesiaci, už obývanom ľudstvom, nachádzajú prvý nevyvrátiteľný dôkaz o existencii mimozemskej civilizácie.
Ako zistil predseda Národnej rady pre astronautiku, ktorý naliehavo vyzval na Mesiac, magnetický prieskum odhalil silné skreslenie magnetického poľa v blízkosti krátera Tycho a vykopávky v strede anomálie našli v hĺbke šiestich metrov rovnobežnosť ideálnych rozmerov od neznámych na Zemi. Najvýraznejšou vecou tohto nálezu je jeho vek: geologická analýza naznačuje, že tu bol pochovaný monolit asi pred tromi miliónmi rokov.
Keď svitanie mesačného svitu a čierny monolit zachytia lúč slnečného žiarenia prvýkrát po troch miliónoch rokov väzenia, v náhlavných súpravách ľudí v okolí je počuť prenikavý elektronický výkrik. Tento signál je detekovaný vesmírnymi monitormi a sondami a centrálny počítač po spracovaní informácií dospieva k záveru: smerovaný energetický impulz, zjavne umelého pôvodu, sa vrhol z povrchu Mesiaca v smere na Saturn.
To všetko je známe iba hŕstke ľudí, pretože dôsledky šoku, ktorý bude ľudstvo nevyhnutne musieť znášať, sú nepredvídateľné.
Medziplanetárny priestor. Discovery Spaceship. Prvé mesiace letu prechádzajú pokojným pokojom. Dvaja bdelí členovia posádky - Frank Poole a David Bowman - sú denne v strážnej službe. Ostatné tri sú ponorené do umelého hypotermického sna, z ktorého sa prebudia až keď objav objaví Saturnovu obežnú dráhu. Iba títo traja sú si vedomí skutočného účelu expedície - možného kontaktu s mimozemskou civilizáciou, zatiaľ čo Poole a Bowman uvažujú o tom, že sa vydajú na bežnú výskumnú cestu. Tí, ktorí pripravili výpravu, sa rozhodli, že je to potrebné pre bezpečnosť a záujmy národa.
V skutočnosti loď nekontrolujú ľudia, ale šiesty člen posádky, Eal - mozog a nervový systém Discovery, heuristicky naprogramovaný algoritmický počítač. Eal vytvorený procesom podobným vývoju ľudského mozgu možno právom nazvať skutočne mysliacim strojom a hovorí ľuďom v skutočnom, obraznom ľudskom jazyku. Všetky schopnosti EAL sú zamerané na splnenie daného programu expedície, ale rozpor medzi cieľom a potrebou skryť ho pred ostatnými ľuďmi postupne ničí integritu jeho „psychiky“. Stroj začne robiť chyby a nakoniec nastane kríza: keď si vypočujú astronauti hovoriť so Zemou o potrebe vypnúť EAL a preniesť kontrolu do centra, robí jediné možné rozhodnutie: zbaviť ľudí a dokončiť expedíciu sám. Napodobňuje nehodu antény, a keď Frank Pool ide do vesmíru, aby nahradil blok, EAL ho zabije: loď s tryskovými kapsulami pri plnej rýchlosti letí k astronautovi. A v nasledujúcom okamihu omráčený Bowman na obrazovke uvidí, že loď opúšťa loď a ťahá telom mŕtveho priateľa spolu s ním na bezpečnostnom lane. Frank Poole, prvý z ľudí, pôjde do Saturn.
Bowman sa snaží prebudiť jedného zo spiacich ľudí, ale počuje zvuk, ktorý mu zchladí srdce: dvere vonkajšieho poklopu sa otvoria a vzduch z lode sa vrhne do priepasti vesmíru. Podarí sa mu uniknúť v pohotovostnej komore, obliecť si skafandr a odpojiť vyššie stredy elektronického mozgu. Zostáva sám v miliónoch kilometroch od Zeme. Ale lodné motory a navigačné systémy sú v dobrom stave, obnovila sa komunikácia so Zemou a núdzové dodávky kyslíka budú trvať mesiace. Expedícia pokračuje a Bowman, ktorý si teraz uvedomuje svoj konečný cieľ, dosiahne obrovský mŕtvy Saturn. Bolo mu nariadené začať prieskum systému z ôsmeho satelitu Saturn, Iapetus. Celý povrch Iapetu, bez atmosféry, je čierny, pripomínajúci štruktúru aktívneho uhlia - s výnimkou bielej plošiny nápadne pravidelného oválneho tvaru s čiernou značkou v strede, ktorá sa javí ako úplne rovnaká čierna monolitka ako na Mesiac, iba gigantické veľkosti.
Experiment, ktorý sa začal pred tromi miliónmi rokov, sa skončil. Monolit v Iapete - Strážca Hviezdnej Brány - bol nainštalovaný rovnakými tvormi, ktorí neboli vôbec ako ľudia, ktorí poslali na Zem záhadný kryštál a pochovali čierny blok na Mesiaci. Ich snahy neboli zbytočné: Zem skutočne dala vznik Dôvodu, schopnému dosiahnuť iné planéty, a potvrdením toho bol signál lunárneho monolitu, ktorý poslal správy Iapetu.
David Bowman sa rozhodne sadnúť na Iapetus v kapsule a jej prístup prebudí sily obsiahnuté v Stargate. Horná strana čierneho monolitu sa náhle dostane hlbšie, kapsula začne padať do spodnej šachty. Toto otvorilo Hviezdnu bránu.
Čas sa zastaví - hodiny prestanú počítať sekundy - vnímanie a vedomie však naďalej fungujú. Bowman vidí čierne steny „bane“ a v lúmene nespočetných hviezd „rozptyľujúcich sa“ od stredu. Uvedomuje si, že s časom a priestorom sa deje niečo, čo je pre jeho porozumenie neprístupné, ale necíti strach, pocit, že je pod ochranou nekonečne silnej mysle. Nakoniec sa ocitne stovky svetelných rokov od Zeme. Kapsula sa snaží o obrovskú červenú hviezdu do sféry plameňa, ale po ukončení cesty si Bowman myslí, že je blázon - je v bežnom pozemskom hoteli. Až po nejakom čase si uvedomí, že toto všetko je dekorácia, ktorú hostia hostovi pripravili v televíznom filme pred dvoma rokmi. Bowman ide do postele a zaspí - naposledy vo svojom živote. Spája sa s kozmickou mysľou, stráca svoje fyzické telo, získava schopnosť pohybovať sa v čase a priestore pomocou myšlienok a chráni domácu planétu pred hroziacou jadrovou katastrofou.
