La película empieza mostrándonos las imágenes de unos monos, antepasados de los seres humanos, conviviendo con otros animales. En un principio son herbívoros, apacibles y no disponen de las habilidades para defenderse del ataque de otros carnívoros. El monolito o la piedra filosofal de la evolución les proporciona una inteligencia superior que les da la capacidad de usar armas, hecho que les permite ser los seres dominantes de la zona y convertirse en carnívoros. Este inicio fulgurante y maravilloso deja paso a otra etapa del ser humano millones de años después, en la que ha conseguido conquistar el espacio exterior próximo.

En esta parte, el protagonista es el doctor Floyd, que se dirige a una base en la Luna cerrada por motivos confusos. Posteriormente descubrimos que esto es debido al hallazgo de un monolito enterrado bajo la superficie lunar de manera intencionada hace millones de años. El doctor, junto a otros científicos, deciden ir a investigarlo y con cierto temor, éste toca el monolito al igual que hizo el primate. Cuando uno de los presentes decide inmortalizar el momento, se oye un fuerte pitido que proviene supuestamente de la piedra filosofal y que marca una nueva época en la historia de la humanidad: la era de la subyugación a la inteligencia artificial.

En esta tercera parte, se nos muestra una nave tripulada con destino a Júpiter, controlada en su práctica totalidad por un supercomputador llamado HAL 9000; una máquina perfecta. David y Poole, los únicos tripulantes que no han sido puestos en estado de hibernación, conviven con la máquina a lo largo del viaje. Es en una de las diversas conversaciones que mantienen el supercomputador y Dave cuando HAL le comenta si no le parece extraña la aureola de secretismo que envuelve esta misión espacial. Bowman confuso por lo que acaba de decir HAL, niega tal afirmación, hecho que hace entrar a HAL en una dicotomía interna: él conoce el objetivo de la misión pero no puede contárselo hasta que no lleguen a la órbita del planeta. Es en este momento cuando el supercomputador, temeroso de que descubran el secreto, decide inventarse una avería en la nave. David y Poole quedan sorprendidos al ver que no hay ningún error y se plantean la posibilidad de desconectar a HAL. Aun tomando todas las precauciones pertinentes, HAL descubre sus planes y en un acto de supervivencia, mata a Poole y a los científicos que se encontraban en hibernación. Es entonces cuando Dave se dispone a desconectar a HAL, momento en el que se oye una retransmisión grabada que explica el motivo de la misión: descubrir porque cuando el doctor Floyd tocó el monolito en la Luna, una onda electromagnética se disipó en dirección a Júpiter. Esta acción representa la victoria del ser humano frente a la máquina.

Y por último, llegamos al desenlace de 2001. Quizás la parte más enigmática, misteriosa e incomprendida de todo el film. Cuando el monolito se alinea con los otros planetas del sistema se empiezan a ver unas luces psicodélicas que permiten a Dave viajar a gran velocidad hasta llegar a una sala con decoración clásica. En esta habitación vemos diversas fases de la vida de David, desde su etapa como astronauta hasta que muere en la cama de la sala. Finalmente el ente superior, al igual que hizo con los otros monolitos debidamente colocados, introduce otra piedra filosofal en la habitación, la cual permite al hombre evolucionar por última vez, al igual que hizo el primate en el primer ser humano hace millones de años. Este nuevo ser, que podemos llamar el ‘superhombre’, representado por un feto, es introducido nuevamente en nuestro planeta, hecho que se puede interpretar como el nacimiento de una nueva especie; una especie creada a partir de la observación del ser humano a lo largo de su existencia, y que será capaz de gozar de una inteligencia superior que le permitirá amoldarse a un hipotético futuro, hasta que sea necesario otro monolito para poder evolucionar nuevamente en un ser superior.