Planeta Země, pleistocén, savany z rovníkové Afriky.

Malý kmen Pithecanthropus je na pokraji vyhynutí. Příroda jim nedělala mocné tesáky, ani ostré drápy ani rychlé nohy, ale v jejich očích blikaly záblesky vědomí. Právě tyto vlastnosti upoutaly pozornost nějaké vysoce rozvinuté mimozemské civilizace, která pečlivě pěstuje semena mysli kdekoli, kde je lze nalézt. Pithecanthropus se stal experimentem ve velkém kosmickém experimentu.

Jednou v noci se v údolí řeky objeví blok zcela průhledného materiálu. Když se kmen za soumraku vrací do jeskyní, neobvyklý kámen najednou vydává zvláštní vibrační zvuk, který přitahuje Pithecanthropus jako magnet. V ztluštělé temnotě krystal ožívá, začne zářit, v jeho hloubkách se objevují bizarní kresby. Enchanted Pithecanthropus nevím, že v těchto chvílích zařízení zkoumá jejich mozek, hodnotí jejich schopnosti, předpovídá možné směry vývoje. Křišťál si volá jeden nebo druhý a oni kromě své vůle dělají nové pohyby: zlobivé prsty sváže první uzel na Zemi, vůdce zvedne kámen ve svých rukou a snaží se zasáhnout cíl. Lekce pokračují každou noc. V průběhu roku se život kmene mění nad rámec uznání - nyní Pithecanthropus může používat sadu jednoduchých nástrojů, lovit velká zvířata. Věčný hlad a strach z predátorů ustupují do minulosti, je čas na práci myšlení a představivosti. Tajemný monolit zmizí tak náhle, jak se zdálo. Jeho mise je splněna - na Zemi se objevilo zvíře vybavené inteligencí.

XXI století Američtí vědci najdou na Měsíci, již obývaném lidstvem, první nevyvratitelný důkaz o existenci mimozemské civilizace.

Jak zjistí předseda Národní rady pro astronautiku naléhavě povolaný na Měsíc, magnetický průzkum odhalil silné zkreslení magnetického pole v blízkosti kráteru Tycho a vykopávky ve středu anomálie našly v hloubce šesti metrů rovnoběžnostěn s ideálními proporcemi od neznámých na Zemi. Nejvýraznější věcí na tomto nálezu je jeho věk: geologická analýza naznačuje, že monolit byl zde pohřben asi před třemi miliony let.

Když svítí měsíční svit a černý monolit zachytí poprvé po třech milionech letech vězení paprsek slunečního svitu, v náhlavních soupravách lidí v okolí je slyšet pronikavý elektronický výkřik. Tento signál je detekován kosmickými monitory a sondami a centrální počítač po zpracování informací uzavírá: směrovaný energetický pulz, zjevně umělého původu, spěchal z povrchu měsíce ve směru na Saturn.

To vše je známo jen hrstce lidí, protože důsledky šoku, který lidstvo nevyhnutelně musí snášet, jsou nepředvídatelné.

Meziplanetární prostor. Kosmická loď Discovery. První měsíce letu uběhnou v klidném klidu. Denně jsou na stráži dva členové posádky - Frank Poole a David Bowman. Ostatní tři jsou ponořeni do umělého hypotermického snu, ze kterého budou probuzeni, až když objev vstoupí na oběžnou dráhu Saturn. Pouze tito tři lidé znají skutečný účel expedice - možný kontakt s mimozemskou civilizací, zatímco Poole a Bowman uvažují o létání za normálním výzkumným výletem. Ti, kdo připravili výpravu, se rozhodli, že je to nutné pro bezpečnost a zájmy národa.

Ve skutečnosti není loď ovládána lidmi, ale šestým členem posádky, Ealem - mozkem a nervovým systémem Discovery, heuristicky naprogramovaným algoritmickým počítačem. Eal vytvořený procesem podobným vývoji lidského mozku lze právem nazvat opravdovým myslícím strojem a mluví k lidem ve skutečném, obrazném lidském jazyce. Všechny schopnosti EAL směřují k naplnění daného programu expedice, ale rozpor mezi cílem a potřebou skrýt jej před ostatními lidmi postupně ničí celistvost jeho „psychiky“. Stroj začne dělat chyby a nakonec nastane krize: Když slyší astronauti mluvit se Zemí o nutnosti vypnout EAL a převést kontrolu do centra, učiní jediné možné rozhodnutí: zbavit se lidí a dokončit expedici sám. Napodobuje nehodu antény a když Frank Pool jde do vesmíru, aby nahradil blok, EAL ho zabije: trysková tobolka s člunem plnou rychlostí letí k astronautovi. A v příštím okamžiku omráčený Bowman uvidí na obrazovce, že loď opouští loď a táhne tělo zesnulého přítele spolu s ním na bezpečnostním kabelu. Frank Poole první z lidí půjde do Saturn.

Bowman se snaží probudit jednoho ze spících lidí, ale uslyší zvuk, který mu zchladí srdce: dveře vnějšího poklopu se otevřou a vzduch z lodi se vrhne do propasti vesmíru. Podaří se mu uniknout v nouzové komoře, nasadit skafandr a odpojit vyšší středy elektronického mozku. Zůstává sám v milionech kilometrů od Země. Ale lodní motory a navigační systémy jsou v dobrém stavu, komunikace se Zemí byla obnovena a nouzové zásobování kyslíkem bude trvat měsíce. Expedice pokračuje a Bowman, který si je nyní vědom svého konečného cíle, dosáhne obrovského mrtvého Saturn. Bylo mu nařízeno, aby zahájil průzkum systému z osmé družice Saturn, Iapetus. Celý povrch Iapeta, bez atmosféry, je černý, připomínající strukturu uhlí - s výjimkou bílé náhorní plošiny nápadně pravidelného oválného tvaru s černou značkou ve středu, která se ukáže jako přesně stejný černý monolit jako na Měsíc, jen gigantické velikosti.

Experiment, který byl zahájen před třemi miliony let, skončil. Monolit v Iapetu - Strážce Hvězdné Brány - byl nainstalován stejnými stvořeními, kteří nebyli vůbec jako lidé, kteří poslali na Zemi záhadný krystal a zakopali černý blok na Měsíci. Jejich úsilí nebylo marné: Země skutečně dala vzniknout rozumu, schopnému dosáhnout jiných planet, a signál lunárního monolitu, který poslal zprávy Iapetu, to bylo potvrzením.

David Bowman se rozhodne sedět na Iapetu v kapsli a její přístup probouzí síly obsažené ve Hvězdné bráně. Horní strana černého monolitu se náhle prohloubí, tobolka začne padat do bezedné šachty. Tím se otevřela Hvězdná brána.

Čas se zastaví - hodiny přestanou počítat sekundy - ale vnímání a vědomí nadále fungují. Bowman vidí černé stěny „dolu“ a v lumenu nesčetných hvězd „rozptýlených“ od středu. Uvědomuje si, že s časem a prostorem se děje něco, co je pro jeho porozumění nepřístupné, ale necítí strach, pocit, že je pod ochranou nekonečně silné mysli. Nakonec se ocitne stovky světelných let od Země. Tobolka usiluje o obří rudou hvězdu, do říše plamene, ale po skončení cesty si Bowman myslí, že je blázen - je v obyčejném pozemském hotelu. Teprve po nějaké době si uvědomí, že to vše je výzdoba, kterou hostitelé hostovi vyrobili v televizním filmu před dvěma lety. Bowman jde do postele a usíná - naposledy ve svém životě. Spojuje se s kosmickou myslí, ztrácí své fyzické tělo, získává schopnost se pohybovat v čase a prostoru pomocí myšlenek a zachraňuje domácí planetu před hrozící jadernou katastrofou.