Zu Beginn des Romans sehen wir ein majestätisches Bild des Planeten Erde vor der Kulisse der Savannen von Äquatorialafrika.
Ein kleiner Stamm von Pithecanthropus beginnt auszusterben. Die Natur hat sie nicht mit scharfen Klauen oder Raubzähnen ausgestattet, aber sie besitzen die Anfänge des Bewusstseins. Wahrscheinlich war es die Fähigkeit zu denken, dass hier eine der außerirdischen Zivilisationen angezogen wird, die überall die Samen der Vernunft wächst, wo immer sie sie findet. Pithecanthropus wurde als Gegenstand kosmischer Experimente ausgewählt.
Eines Nachts hängt über einem Flusstal ein riesiger, sehr durchsichtiger Block. In der Dunkelheit, wenn der Pithecanthropus zu den Höhlen zurückkehrt, erzeugt der Stein ein seltsames, vibrierendes Geräusch, das Pithecanthropus
Im 21. Jahrhundert sind Wissenschaftler auf dem Mond, wo auch Menschen lebten, der Beweis für die Existenz einer fremden Zivilisation. Der zum Mond gerufene Vorsitzende des Nationalen Weltraumrates
Während der Monddämmerung fängt der Monolith einen Sonnenstrahl ein, und in den Kopfhörern der herumstehenden Forscher ist ein unverständliches und durchdringendes Geräusch zu hören. Dieser Ton wird von Raummonitoren und Sonden verarbeitet, und mit Hilfe der Computertechnik konnte festgestellt werden, dass der Ton eindeutig künstlichen Ursprungs war und der Impuls vom Mond an die Oberfläche des Saturn gesendet wurde.
Nur sehr wenige Menschen wussten von all dem, weil solch ein Ereignis einen echten Schock für die Menschheit auslösen könnte.
Ferner wird die Handlung des Romans in den Weltraum, auf das interplanetarische Schiff „Discovery“ übertragen. Die ersten Monate der Raumfahrt sind sehr ruhig. An Bord des Schiffes waren zwei Besatzungsmitglieder wach – Frank Poole und David Bowman. Sie trugen täglich Wache und führten die von der Anweisung geforderten Aufgaben aus. Die anderen drei Besatzungsmitglieder schliefen in einem Zustand künstlichen hyperthermischen Schlafes. Sie werden erst aufwachen, wenn das Schiff die Umlaufbahn von Saturn erreicht. Nur der Schläfer kennt den wahren Zweck der Reise – möglichen Kontakt mit Vertretern der außerirdischen Zivilisation, während Frank und David den Flug als Routineforschungsmission betrachten. Die Organisatoren der Reise glaubten, dass die Geheimhaltung der Mission für die Interessen und die Sicherheit der gesamten Menschheit notwendig ist.
In der Tat wird das Schiff nicht mehr von Menschen kontrolliert, sondern das sechste „Computer“ – Mitglied – Eal, ein algorithmischer Rechenmechanismus – das zentrale System und das Gehirn von Discovery. Die Fähigkeiten von Eal sind ähnlich wie die Funktionen des menschlichen Gehirns, nur sehr entwickelt. Die Maschine kommuniziert sogar mit Menschen in ihrer Bildsprache. Computer Eal ist programmiert, um den Zweck des Expeditionsfluges zu erreichen, aber der Widerspruch zwischen dem wahren Zweck des Reisens und dem Bedürfnis, die Wahrheit vor Menschen zu verbergen, zerstört allmählich das „Gehirn“ von Eala. Die Maschine macht grobe Fehler und entscheidet sich schließlich dafür, die Leute komplett loszuwerden und die Forschung selbstständig abzuschließen, wenn er während der Gespräche zwischen den Astronauten und dem Zentrum über die Notwendigkeit hört, den Bordcomputer zu trennen und die Kontrolle über das Schiff auf die Erde zu übertragen. Eal simuliert absichtlich eine Fehlfunktion der Antenne. Als Frank Poole in den Weltraum geht, um den kaputten Teil zu ersetzen, schickt Eal ein Jet-Rettungsboot an den Astronauten, an dessen Folgen Poole stirbt. Auf dem Bildschirm des Monitors sieht Bowman, wie das Boot vom Schiff fliegt, und schleppt den Körper des verstorbenen Begleiters auf das Sicherungsseil. Frank Poole wird der erste sein, der auf den Saturn fällt.
Bowman versucht einen der Schlafenden aufzuwecken, aber was als nächstes passiert, lässt ihn vor Entsetzen kalt werden. Eal öffnete die Luken des Schiffs und pumpte Luft aus dem Schiff in den Weltraum. Aber der Astronaut schafft es, das unglückselige zentrale Bordnetz abzuschalten, einen Raumanzug anzulegen und sich im Rettungsfach zu verschließen. In einer Entfernung von Millionen von Kilometern von der Erde erfährt Bowman den wahren Zweck des Reisens. Die Motor – und Navigationssysteme sind in gutem Zustand und Bowman beschließt, die Reise selbst durchzuführen. Schließlich erreicht der Astronaut die Oberfläche des riesigen Saturn. Earth Bowman erhält Instruktionen, um mit dem Satelliten von Saturn – Yapet zu beginnen. Die gesamte Oberfläche des Satelliten ist ähnlich wie Schwarzkohle, nur mit einem weißen flachen Plateau und einer schwarzen Kerbe in der Mitte. Das Plateau war wie ein Monolith auf dem Mond,
Das Experiment, das vor drei Millionen Jahren begann, ist zu Ende. Der auf Iapetus gefundene Monolith stellte sich als Star Gate Guard heraus. Es wurde hier von Vertretern der außerirdischen Zivilisation gegründet. Sie sandten auch einen geheimnisvollen Kristall zur Erde und begruben einen schwarzen Monolithen auf dem Mond. Die Erde schuf wirklich eine neue Vernunft, durch die Menschen lernten, andere Planeten zu erforschen. Vom Mondmonolithen wurde ein Signal nach Yapet geschickt, um die außerirdischen Zivilisationen über diese erfreulichen Nachrichten zu informieren.
David Bowman beschließt, in der Rettungskapsel auf Iapete zu landen. Die Kräfte des Stargates spüren die Annäherung des Menschen und beginnen zu erwachen und tragen den oberen Rand des Monolithen tief in den Satellitenplaneten. Die Bowman-Rettungskapsel rast in die immense Schwärze der Mine. So hat das Stargate geöffnet.
Die Zeit hat den Fluss gestoppt. Die Uhr hat aufgehört, die kostbaren Sekunden zu zählen, aber die Wahrnehmung und das Bewusstsein setzen ihre Arbeit fort. Bowman sieht den schwarzen Raum des kosmischen „Fehlers“, entlang dem Millionen von Sternen verlaufen. Er erkennt, dass mit der Zeit und dem Raum etwas geschah, das jenseits des Verständnisses des gewöhnlichen Menschen liegt, aber Bowman vertraute der Kraft der allgegenwärtigen Vernunft. Am Ende trennen Hunderte von Lichtjahren den Kosmonauten von der Erde, er steht bereits einem riesigen roten Stern gegenüber, in der Wohnstätte einer Flamme. Aber am Ende der Reise fühlt Bowman, dass er verrückt geworden sein muss. Er befindet sich in einem einfachen Hotel, dessen Besitzer dieses „Starabenteuer“ für ihren geschätzten Kunden spielen. Er versteht, dass alles, was er zuvor gesehen hat, eine einfache Dekoration war, die vor zwei Jahren von einem bekannten Film gemacht wurde. Er versinkt in seinem letzten irdischen Traum. Sein Geist wird eins mit dem Kosmos. In diesem Fall wird die physische Hülle einer Person unnötig. Bowman kann sich mit der Kraft des Denkens im Raum bewegen. Er rettet seinen Planeten vor der sich nähernden nuklearen Apokalypse.