400万年前，人类的祖先大猩猩在非洲草原上生活，他们一开始并不知道死尸的骨头可以用来当工具，甚至当武器，但某一天不知哪儿来的一块长方形黑色巨石给了他们启发。于是，人类往前进化了关键的一步。2000年，人类在月球上发现了相同的一块黑石，这块石头还向木星发出强烈的信号。美国政府于是派出一艘宇航船前往探个究竟，船上有两名宇航员，3名被置身于冬眠状态的科学家，还有一台名叫哈尔的超级电脑。哈尔装有人类的感情，同时他是惟一掌握这次行动真实意图的一个。但在半途中，宇航员怀疑哈尔出差错，他们打算关掉哈尔的部分功能。不料哈尔会看嘴形，事先了解了他们的想法。于是他乘其不备，杀死了沉睡的科学家和其中一名宇航员。剩下的宇航员大卫跟哈尔展开殊死搏斗，终于制服了哈尔。他只身前往木星，并在那里见到了另一块黑石。影片结尾处颇为神秘，出现了巴洛克式的古典室内景，大卫在迅速衰老，他的卧室里又出现了黑石。最后一个镜头是一个婴儿，在太空中。
整个影片分为四个部分。
