L'aube de l'humanité. « Homo » n'est qu'un animal parmi d'autres. La faim taraude une tribu d'hommes préhistoriques réfugiée dans des cavernes. Sans défense contre les prédateurs, ils sont sur le point de disparaître. Un matin, ils découvrent devant leur refuge un imposant et intrigant monolithe noir. Sous son influence, ils ont l'idée de se servir d'os comme armes et acquièrent une supériorité sur leurs ennemis. Ils les utilisent pour mettre en fuite des rivaux qui leur disputaient un point d'eau, accélérant ainsi le processus de l’évolution.
Quatre millions d'années plus tard. En 1999 ou en 2000, des vaisseaux spatiaux voyagent dans l'espace. Le savant américain Dr Heywood Floyd se rend sur la lune où il est chargé de recommander aux savants de maintenir le secret sur une fantastique découverte. Il va ensuite contempler la découverte en question : un monolithe noir enterré volontairement selon les savants il y a quatre millions d'années. Quand le soleil s'aligne par-dessus lui, il émet un puissant champ magnétique qui parasite les signaux radios des astronautes jusqu’à la douleur.
Dix-huit mois plus tard, mission Jupiter. En 2001: Un vaisseau (le Discovery One) fait route vers Jupiter avec comme équipage deux astronautes (Dave Bowman et Frank Poole), trois savants en hibernation et l'ordinateur HAL 9000. Ce dernier, à la pointe de la technologie, dirige toutes les manœuvres du voyage. Au cours d'une conversation qu'il a entamée et qui devient embarrassante, HAL signale une panne imminente. La pièce prétendument défectueuse est inspectée par les deux astronautes qui, ne trouvant rien d'anormal, s'inquiètent de l'erreur de l'ordinateur, et pensent même à le déconnecter... HAL se défend en provoquant la mort de Poole et des savants en hibernation. Le survivant, Bowman, réussit à déconnecter l'ordinateur et à prendre connaissance d'un message enregistré à destination de l'équipage : celui-ci indique la découverte d'un artefact extra-terrestre sur le sol lunaire (le monolithe). À l'exception d'une onde radio émise en direction de Jupiter (d'où la destination de la mission), tout reste, selon la communication, mystérieux à son sujet...
Jupiter et au-delà... Aspiré dans l'espace-temps après avoir quitté le Discovery grâce à un Pod, vaisseau sphérique à une place, on observe une nouvelle fois le monolithe flottant maintenant dans l'espace (dans le roman, il se situe sur Japet, un des satellites de Saturne), Bowman se retrouve alors ensuite dans une chambre de type Louis XVI, s'y voit vieillir prématurément et, mourant, voit le monolithe noir à son chevet. Il renaît sous la forme d’un fœtus astral face à la Terre.