Planeta Zemlja, pleistocen, savane ekvatorijalne Afrike.
Malo pleme Pithecanthropus nalazi se na rubu izumiranja. Priroda ih nije obdarila snažnim očnjacima, oštrim kandžama, niti brzim nogama, ali u njihovim očima su im bljesnuli prikazi svijesti. Vjerojatno su te kvalitete privukle pažnju neke visoko razvijene izvanzemaljske civilizacije, koja pažljivo uzgaja sjeme uma gdje god ih se može naći. Pithecanthropus postaju eksperimentalni u velikom svemirskom eksperimentu.
Jedne noći, blok potpuno prozirnog materijala pojavljuje se u dolini rijeke. U sumrak, kad se pleme vrati u špilje, neobičan kamen odjednom stvara neobičan vibrirajući zvuk koji privlači Pithecanthropusa poput magneta. U sve većoj tami kristal zaživi, počne svijetliti, u njegovim dubinama pojavljuju se bizarni crteži. Očarani Pithecanthropus ne znaju da u tim trenucima uređaj ispituje njihov mozak, procjenjuje njihove sposobnosti, predviđa moguće smjerove evolucije. Kristal zove sebe jedno ili drugo, a oni, osim volje, čine nove pokrete: nestašni prsti vezuju prvi čvor na Zemlji, vođa uzima kamen u ruke i pokušava pogoditi metu. Lekcije se nastavljaju svake večeri. Tijekom godine život plemena se mijenja do prepoznavanja - sada Pithecanthropus može koristiti skup jednostavnih alata, loviti krupne životinje. Vječna glad i strah od grabežljivaca se povlače u prošlost, vrijeme je za rad misli i mašte. Tajanstveni monolit nestaje jednako iznenada kao što se i pojavio. Njegova misija je ostvarena - na Zemlji se pojavila životinja obdarena inteligencijom.
XXI stoljeće Američki istraživači nalaze na Mjesecu, već naseljenom čovječanstvom, prve nepobitne dokaze postojanja izvanzemaljske civilizacije.
Kako je predsjednik Nacionalnog vijeća za astronautiku hitno pozvao na Mjesec, saznaje, magnetska izviđanje otkrila je snažno izobličenje magnetskog polja u blizini kratera Tycho, a iskopi u središtu anomalije pronašli su paralelepiped idealnih proporcija od nepoznate na Zemlji ekstra teške crne materije na dubini od šest metara. Najupečatljivija stvar ovog nalaza je njegovo doba: geološke analize sugeriraju da je monolit ovdje pokopan prije otprilike tri milijuna godina.
Kad mjesečina osvane i crni monolit prvi put uhvati zraku sunca nakon tri milijuna godina zatvora, u slušalicama ljudi oko sebe čuje se prodoran elektronski krik. Taj signal otkrivaju svemirski monitori i sonde, a središnje računalo nakon obrade informacija zaključuje: usmjereni energetski impuls, očito umjetnog podrijetla, jurio je s površine Mjeseca u smjeru Saturna.
Sve je to poznato samo šaci ljudi, jer su posljedice šoka koji će čovječanstvo neminovno morati pretrpjeti nepredvidive.
Međplanetarni prostor. Otkriveni svemirski brod. Prvi mjeseci leta prolaze u spokojnoj tišini. Dva budna člana posade - Frank Poole i David Bowman - svakodnevno su na straži. Ostala su trojica uronjena u umjetni hipotermični san iz kojeg će se probuditi tek kad Otkriće uđe u orbitu Saturna. Samo ove troje ljudi znaju pravu svrhu ekspedicije - mogući kontakt s izvanzemaljskom civilizacijom, dok Poole i Bowman smatraju letjeti uobičajenim istraživačkim putovanjem. Oni koji su pripremili ekspediciju, zaključili su da je to potrebno zbog sigurnosti i interesa nacije.
Zapravo brodom ne upravljaju ljudi, već šesti član posade, Eal - Discovery mozak i živčani sustav, heuristički programirano algoritamsko računalo. Eal stvoren postupkom sličnim razvoju ljudskog mozga s pravom se može nazvati strojem koji stvarno misli, a ljudima govori na stvarnom, figurativnom ljudskom jeziku. Sve sposobnosti EAL-a usmjerene su na ispunjavanje zadanog programa ekspedicije, ali kontradikcija između cilja i potrebe da se to sakrije od bližnjih ljudi postupno uništava integritet njegove "psihe". Stroj počinje griješiti, a napokon izbija kriza: slušajući astronaute kako razgovaraju sa Zemljom o potrebi isključivanja EAL-a i prebacivanje kontrole u Centar, donosi jedinu moguću odluku: riješiti se ljudi i samostalno dovršiti ekspediciju. On imitira nesreću antene, a kad Frank Poole ode u svemir kako bi zamijenio blok, EAL ga ubija: jet-kapsula-brod punom brzinom leti do astronauta. I sljedećeg trenutka omamljeni Bowman vidi na ekranu kako čamac napušta brod, a na njemu sigurnosni kabel vuče tijelo pokojnog prijatelja. Frank Poole prvi će odlaziti u Saturn.
Bowman pokušava probuditi nekoga od ljudi koji spavaju, ali čuje zvuk zbog kojeg mu srce postaje hladno: vrata vanjskog poklopca se otvaraju i zrak s broda žuri u ponor prostora. Uspijeva pobjeći u odjelu za hitne slučajeve, obući svemirski odijelo i odspojiti viša središta elektroničkog mozga. Ostaje sam u milijunima kilometara od Zemlje. Ali brodski motori i navigacijski sustavi su u dobrom stanju, uspostavljena je komunikacija sa Zemljom i hitna opskrba kisikom trajat će mjesecima. Ekspedicija se nastavlja i Bowman, koji je sada svjestan svog krajnjeg cilja, stiže do divovskog mrtvog Saturna. Naređeno mu je da započne preispitivanje sustava s osmog satelita Saturna u Iapetusu. Čitava površina Japeta, lišena atmosfere, crna je, po strukturi podsjeća na drveni ugljen - osim bijele visoravni izrazito pravilnog ovalnog oblika s crnom oznakom u središtu, za koju se pokaže da je potpuno isti crni monolit kao na Mjesec, samo gigantske veličine.
Eksperiment, započet prije tri milijuna godina, završio je. Monolit u Iapetusu - čuvaru Zvjezdanih vrata - postavila su ista bića, koja uopće nisu bila poput ljudi, koja su na Zemlju poslala misteriozni kristal i zakopala crni blok na Mjesecu. Njihovi napori nisu bili uzaludni: Zemlja je uistinu pokrenula Razlog, sposoban doprijeti do drugih planeta, a signal mjesečevog monolita, koji je vijest poslao Iapetu, bio je potvrda toga.
David Bowman odluči sjesti na Iapetus u kapsuli, a njezin pristup probudi sile sadržane u Stargateu. Gornje lice crnog monolita odjednom ide dublje, kapsula počinje padati u osovinu bez dna. Ovo je otvorilo Zvjezdana Vrata.
Vrijeme se zaustavlja - sat prestaje brojati sekunde - ali percepcija i svijest i dalje rade. Bowman vidi crne zidove "rudnika", a u lumenu bezbroj zvijezda "raspršuje se" iz središta. Shvaća da se s vremenom i prostorom događa nešto što je nepristupačno njegovom razumijevanju, ali ne osjeća strah, osjećajući se kao da je pod zaštitom beskrajno moćnog Razuma. Na kraju se nađe stotine svjetlosnih godina od Zemlje. Kapsula teži divnoj crvenoj zvijezdi, u carstvo plamena, ali kada putovanje završi, Bowman misli da je lud - nalazi se u običnom zemaljskom hotelu. Tek nakon nekog vremena shvaća da je sve ovo ukras koji su domaćini napravili za jednog gosta na televizijskom filmu prije dvije godine. Bowman odlazi u krevet i zaspi - posljednji put u životu. Spaja se s kozmičkim umom, gubeći svoje fizičko tijelo, uz pomoć misli stječe sposobnost kretanja u vremenu i prostoru i spašava matični planet od predstojeće nuklearne katastrofe.
