神秘的黑色石板在史前时代启蒙了地球人类的文明。三百万年后，人类在月球上发现了同样的石板，而石板在出土瞬间立即朝土星方向发出电磁信号。美国派太空船“发现号”远征土星，追查真相。太空船的超级电脑“哈尔”发疯，害死三名冬眠中的太空人，并把弗兰克·普尔变成太空漂流物，只有戴维·鲍曼逃过一劫。幸存的鲍曼独自抵达土星，又发现另一块更大的黑石板………