述科學家為了解開神秘的黑色石板突然屹立於月球表面的疑問，隨著石板送出的訊息，啟動動力太空船出發飛往距離八億公里遠的木星。

此太空船的成員包括波曼船長、普爾飛行員及三個在圓筒內冬眠的隊員等五人，和負責操作全船的人工智慧電腦 HAL。 途中電腦 HAL 發生錯亂，破壞了冬眠裝置，普爾被誘出船外，於黑暗的太空中被殺，波曼船長則被困在母船中，與之展開生死格鬥，結果人類終於獲勝。

不久太空船在進入木星的軌道後，因船長發現某地有與月球上的石柱一模一樣的東西，就駛向它，卻發生意外。當他醒來時，看見自已正和太空船在路易十六的臥室中。

超越時間與空間，所有的一切東西都消失於白光之中後，飄浮在太空上的綠色地球，由一胎兒星童看守著，此胎兒正是波曼轉世而成，正等待著自己出生的日子。