在2001年人类已经可以进行太空旅行。弗洛依德博士是美国在月球克莱维斯研究基地的负责人之一，这次他秘密返回基地调查一起神秘的事件。原来，基地研究员在月球某地发现了一个神秘的强磁性柱子，这个柱子显然是在四百万年前被人故意埋在那里的。正当弗洛依德博士率领6位科学家对其进行考察研究的时候，奇怪的事情发生了。16个月后，美国又派遣了5位科学家搭乘巨型飞船前往木星进行考察，此行目的对外宣称是对16个月前发生在月球上的“克莱维斯事件”进行研究。飞船的日常管理工作由从来不犯错误，且具有人类逻辑思维方式的超级电脑HAL9000担任。在飞船上除开担任机师的两位宇航员一直处于清醒状态以进行日常监控和维护以外，另外三名测量学方面的专家都是一直处于冬眠状态。但无论是人类宇航员还是超级电脑，他们都不知道在这次看似平淡的旅途上其实隐藏着致命的危险和不可告人的目的。