弗洛伊德博士将要去往月球上的克莱维斯基地，途经太空中转站时还和女儿进行了跨太空视频通话（在1968年就能提出视频通话概念，由此可见这部电影的领先性）。
中转站里的几位俄罗斯科学家在知道弗洛伊德即将去往克莱威斯之后纷纷询问那里究竟发生了什么，过去的两星期里所有的通讯都被掐断，就连想要紧急迫降的火箭巴士都被无情拒绝，甚至有传言说那里出现了非常致命的传染病。
然而面对这几个人的询问，弗洛伊德全都闭口不言，不给予任何回复。
当弗洛伊德到达月球后，他在会议上与基地中的人再次强调了这件事情的保密性，并表示如果这件事情公布出去也许会对人类社会的文化产生强烈的冲击。
原来在一段时间前，在月球的探测团队发现了一处不同寻常的磁场波动，原本他们以为可能是太空陨石，或是某种放射物质产生的现象。
可当工程团队将这个地点全面挖掘之后，他们在月球表面40尺的地下发现了一块耸立的黑色石碑，疑似是400万年前被人为掩埋起来的。
就在他们几人放松地想要和这块石头合影时，黑色石碑突然发出了强烈的噪音和尖锐信号，目标直指遥远的木星，由此揭开了影片的第三幕——木星之旅。
18个月后，一队科学家坐上了太空飞船驶向了木星，这队人马由五名人类和一名人工智能赫尔构成，其中任务指挥官大卫·鲍曼和副指挥弗兰克·普理负责领导，另外三名科学家则处于冬眠状态，直到到达木星之前才会被唤醒。
这艘飞船上其余所有的功能都由人工智能赫尔和超级电脑9000负责监督和操控。
赫尔作为高级的人工智能，不仅可以和人类交流，还可以和人类下棋（想没想起来阿尔法狗），欣赏画作等等。
有一天，赫尔向大卫和弗兰克报告了飞船上一个零件AE35疑似出现了故障，这处故障在72小时后会让通讯失效，建议尽快检修。
在向任务中心报告过后，两人便将AE35带回了飞船检查，然而奇怪的是，不管如何检查，这个零件完全检查不出任何问题。
任务中心怀疑是超级电脑9000出了问题，当大卫和弗兰克对赫尔提出质疑时，赫尔则坚定的表示自己这边绝对没有问题，如果有问题也一定是人类的操作出现了失误。
赫尔提出将这个零件再放回原来的位置，直到它工作失效为止，这样就可以直观地看出到底是哪里出了问题。
大卫不想再和赫尔争论，拿辅助舱通讯有问题为借口带着弗兰克进入辅助舱内并切断了对外的通讯。
大卫和弗兰克对赫尔的行为产生了怀疑，悄悄商议着不如关闭赫尔智能系统，仅保留必要的功能，剩下的则由人为操作。
他们因为声音传递不出去讨论的肆无忌惮，但是他们万万没想到的是，赫尔通过他们的唇形解读出了他们的计划。
弗兰克拿着AE35驾驶辅助舱到飞船外围打算把它再放出去，只是在他没有注意到的背后，辅助舱突然自己移动了起来攻击了弗兰克。
当大卫在飞船注意到这一切时，弗兰克和辅助舱早已向远离飞船的方向飘去。
大卫知道在这种情况下弗兰克几乎是必死无疑，他匆忙地登上了另一辆辅助舱，至少想要把弗兰克的遗体带回，可他只记得穿上了太空服却忘记了佩戴太空头盔。
趁着飞船空无一人的时机，赫尔操控生命控制仪让剩下的三位宇航员全部在睡梦中死去。
带着弗兰克遗体回来的大卫被赫尔拒之门外，双方已经彻底撕破脸皮。
