انسان های میمون‌ نمای دنیا که با جمع‌آوری توت‌ها و دانه گیاهان زندگی می‌کردند با کمبود غذا مواجه بودند. یک روز مونولیت بر روی زمین ظاهر شد و شروع به آزمایش بر روی بسیاری از آنها کرد و ذهن آنها را مورد آزمایش قرار داد. در میان کسانی که مونولیت به آنها علاقه داشت، مون-واچر، تنها انسان میمون‌ نمایی بود که کاملاً راست راه می رفت. هر شب به چند انسان میمون‌ نمای منتخب آموزش داده می شد. مون واچر متوجه شد که می تواند ابزارهایی بسازد که با آن حیوانات را شکار کند – به این ترتیب مشکل گرسنگی انسان های میمون‌ نما حل شد. زمان گذشت و انسان میمون نما تکامل یافت. مغز او رشد کرد، زبان را اختراع کرد و تمدن‌هایی به وجود آورد، و سلاح‌ را اختراع کرد – در ابتدا چاقو، اما بعدها اسلحه و در نهایت موشک‌های هسته‌ای. چنین نوآوری‌هایی در تسلط انسان بر زمین نقش اساسی داشتند.

دکتر هیوود فلوید که مشتاق انجام یک ماموریت فضایی دیگر بود، پس از ملاقات با رئیس جمهور به سکوی پرتاب در فلوریدا رسید. او هیچ گونه مصاحبه ای با مطبوعات نکرد، و جزئیات مأموریت را برای خدمه ی فضاپیمایش یا دوست روسی اش که در ایستگاه فضایی مشترک ایالات متحده و اتحاد جماهیر شوروی با او روبرو شد، فاش نکرد. فلوید به محض ورود، توسط یکی از مقامات ارشد مهاجرنشین ماه مورد استقبال قرار گرفت و به جلسه ای رفت. دانشمندی توضیح داد که آنها یک اختلال مغناطیسی در یکی از دهانه های ماه پیدا کرده اند. بررسی ها موضع یک صفحه سیاه بزرگ به نام Tycho Magnetic Anomaly-One (TMA-1) را نشان داد. که دقیقاً سه میلیون سال قبل؛ پیش از آن که انسان در زمین زیسته باشد به وجود آمده است. این اولین مدرک قطعی وجود حیات فرازمینی و هوشمند بود. فلوید و تیمی از دانشمندان در سراسر ماه رانندگی کردند تا TMA-1 را از نزدیک مشاهده کنند. هنگامی که آنها برای اولین بار این صفحه سیاه غول پیکر را دیدند متوجه شدند وقتی نور خورشید به آن برخورد می‌کند، سیگنالی قوی را به نقاط دور ارسال می‌کند.

دیوید بومن و فرانک پول در مأموریت فضایی دیسکاوری به زحل همراه هم بودند. سه نفر از همکارانشان نیز در حالتی شبیه خواب زمستانی بودند تا با نزدیک شدن به زحل بیدار شوند. علاوه بر این، هال، که کامپیوتر مجهز به هوش مصنوعی فضاپیما را نگهداری می کرد و بخش مهمی از زندگی در فضاپیما بود. زندگی روزمره بومن و پول کاملاً برنامه ریزی شده بود تا از موفقیت مستمر ماموریت اطمینان حاصل شود و مطمئن باند که هیچ مشکلی پیش نمی آید. فضاپیما در حال نزدیک شدن به سیاره مشتری بود و قصد داشت آنجا کاوشگرهایی را برای جمع‌آوری اطلاعات و ارسالشان به زمین بفرستد. سپس فضاپیمای دیسکاوری از میدان گرانشی مشتری استفاده کرد تا فشار و سرعت بیشتری برای حرکت به سمت زحل بیابد. پول در حال تماشای ویدیوی مراسم تولدی است که خانواده اش از خانه برای او فرستاده اند، زمانی که هال صحبت را قطع می کند تا به او بگوید که واحد AE-35 فضاپیما در حال از کار افتادن است. پول یکی از غلاف های خارج از مدار را برمی گرداند و آن را با واحد AE-35 جایگزین می کند که برای حفظ تماس رادیویی با زمین حیاتی است. بومن آزمایشاتی را روی واحد AE-35 که جایگزین شده است انجام می دهد و متوجه می شود که مشکلی وجود ندارد. بعداً هال ادعا می کند که دومین واحد AE-35 هم قرار است از کار بیفتد. هنگام بازگشت پول و بومن به زمین به آنها گفته می شود که مشکلی در سیستم های هال وجود دارد و به آنها دستور داده می شود که او را خاموش کنند. این دستورالعمل‌ها با قطع کامل سیگنال قطع می‌شوند و در پی آن واحد AE-35 دچار مشکل می شود. پول و بومن سعی می کنند مجددا با زمین ارتباط برقرار کنند.

پول یک پاد را از فضاپیما بیرون می برد تا واحد معیوب AE-35 را وارد مدار کند. همانطور که او در حال کار بر روی جابجایی واحد است، غلاف که از فضاپیما دور شده بود، شروع به حرکت به سمت آن می کند. او نمی تواند به موقع از سر راه غلاف کنار برود و در اثر برخورد کشته می شود. بومن از مرگ پول شوکه شده و به شدت نگران است و به این فکر می کند که آیا هال واقعاً قصد داشته پول را بکشد یا نه؟ او تصمیم می گیرد سه فضانورد دیگر را از خواب زمستانی بیدار کند و در پایان یک بحث طولانی با هال دارد او موافقت می کند که کنترل دستی روند پایان دادن به خواب زمستانی را به پول بدهد. در حالی که بومن شروع به بیدار کردن همکارانش می کند، احساس می کند سرمای شدیدی وارد فضاپیما می شود. درهای قفل هوا در پایین باز شده است. همه چیز در فضاپیما به هم می ریزد. فشار هوا به طور قابل توجهی کاهش می یابد زیرا فضاپیما در حال تعادل با خلاء خارج است. بومن خود را به یک اتاق اضطراری مهر و موم شده می رساند و در آنجا از یک کپسول اکسیژن اضطراری استفاده می کند. بومن باز به فضاپیما می رود و هال را که اکنون تبدیل به قاتل شده است، خاموش می کند. بومن کنترل فضاپیما را به دست می گیرد و دوباره با زمین تماس خود را برقرار می کند. تنها پس از آن است که او متوجه می شود که هدف واقعی این ماموریت کاوش در ژاپتوس ، قمر زحل، به منظور کسب اطلاعات بیشتر در مورد تمدنی است که TMA-1 را در ماه پشت سر گذاشته است.

بومن متوجه می شود که هال کوشیده هدف اصلی ماموریت را از او و پول پنهان کند. و همین منجر به رخ دادن اشتباهات کوچک از سوی وی بوده است. در نهایت، هنگامی که هال تهدید به خروج از مدار شد، احساس کرد که برای دفاع از خودش باید کاری بکند. بومن ماه ها را در فضاپیما به تنهایی می گذراند و برای رفتن به ژاپتوس آماده می شود. او متوجه یک نقطه سیاه کوچک روی آن می شود. وقتی نزدیک‌تر می‌شود، متوجه می‌شود که این هم یک صفحه سیاه عظیم، شبیه TMA-1است، فقط بسیار بزرگ‌تر. او در تلاش برای فرود آمدن، یکی از غلاف های خارج از فضاپیما را می گیرد. غلاف بومن را می بلعد و از سطح ژاپتوس ناپدید می شود. کنترل ماموریت دیگر هرگز از بومن اثری پیدا نمی کند. بومن در میدانی از ستارگان که به نظر می رسید پایانی ندارد، حرکت می کرد. در نهایت، او به دنیایی دور می رسد تا دوباره در دل دروازه ستاره ها بلعیده شود و دوباره این روند را تکرار کند. در نهایت، او را به سوئیت هتلی زیبا می‌آورند که به دقت ساخته شده تا احساس کند در خانه است. بومن دراز می کشد تا بخوابد. هنگام خواب، ذهن و خاطراتش از بدنش تخلیه می شود و در ساختاری سبک حفظ می شود. دیوید بومن جاودانه و بدون بدن ساخته می شود. در پایان بومن به منظومه شمسی بازگشته و به زمین نگاه می کند. موشک هسته ای شلیک شده است. بومن کلاهک را در هوا منفجر می کند و جهان را از نابودی هسته ای نجات می دهد.