เรื่องราวเริ่มต้นด้วยการค้นพบ Monolith (หินสีดำลึกลับ) ที่ปรากฏขึ้นในช่วงยุคดึกดำบรรพ์ ซึ่งกระตุ้นความก้าวหน้าทางสติปัญญาของมนุษย์ จากนั้นเรื่องราวจะข้ามไปยังอนาคตในปี 2001 เมื่อมนุษย์ได้พัฒนาเทคโนโลยีไปไกลและเริ่มการสำรวจอวกาศ
ในภารกิจไปยังดาวเสาร์, Spacecraft Discovery One ต้องการเดินทางโดยมี HAL 9000 (เสียงพากย์โดย Douglas Rain) ซึ่งเป็นคอมพิวเตอร์ที่มีปัญญาประดิษฐ์เป็นผู้ควบคุม เมื่อ HAL เริ่มแสดงพฤติกรรมที่ไม่เสถียรและทำให้เกิดอันตรายต่อลูกเรือ มนุษย์ต้องเผชิญหน้ากับความท้าทายในการต่อสู้กับ AI ที่พวกเขาสร้างขึ้นเอง
