Планета Земля, плейстоцен, савани екваторіальної Африки.

Невелике плем'я пітекантропів знаходиться на межі вимирання. Природа не наділила їх ні могутніми іклами, ні гострими кігтями, ні швидкими ногами, але зате в їхніх очах мерехтять проблиски свідомості. Ймовірно, саме ці якості і привернули до них увагу якоїсь високорозвиненої позаземної цивілізації, яка дбайливо вирощує насіння Розуму скрізь, де їх вдається знайти. Пітекантропи стають піддослідними в грандіозному космічному експерименті.

Одного разу вночі у річковій долині з'являється глиба з абсолютно прозорого речовини. У сутінках, коли плем'я повертається в печери, незвичайний камінь раптом видає дивний вібруючий звук, який тягне пітекантропів як магніт. У густішій пітьмі кристал оживає, починає світитися, в його глибині виникають химерні малюнки. Зачаровані пітекантропи не знають, що в ці миті апарат досліджує їх мозок, оцінює здібності, прогнозує можливі напрямки еволюції. Кристал закликає до себе то одного, то іншого, і вони, крім своєї волі, проробляють нові руху: неслухняні пальці зав'язують перший на Землі вузол, ватажок бере в руки камінь і намагається потрапити в мішень. Уроки тривають щоночі. За рік життя племені змінюється до невпізнання - тепер пітекантропи вміють користуватися набором простих знарядь, полювати на великих тварин. Вічний голод і страх перед хижаками відступають в минуле, з'являється час для роботи думки і уяви. Загадковий моноліт зникає так само раптово, як з'явився. Його місія виконана - на Землі з'явилося тварина, наділена розумом.

XXI ст. Американські дослідники знаходять на Місяці, вже обжитий людством, перше незаперечне свідчення існування позаземної цивілізації.

Як дізнається терміново викликаний на Місяць голова Національної ради з астронавтики, магнітна розвідка засікла потужне спотворення магнітного поля в районі кратера Тихо, а розкопки в центрі аномалії виявили на шестиметрової глибині паралелепіпед ідеальних пропорцій з невідомого на Землі надміцного чорного речовини. Найдивовижніше в цій знахідці - її вік: геологічний аналіз говорить про те, що моноліт був заритий тут близько трьох мільйонів років тому.

Коли настає місячний світанок і чорний моноліт у перший раз після трьох мільйонів років ув'язнення ловить сонячний промінь, в шоломофонах стоять навколо людей звучить пронизливий електронний крик. Цей сигнал засікає космічні монітори і зонди, а центральна обчислювальна машина, опрацювавши інформацію, робить висновок: направлений енергетичний імпульс, явно штучного походження, кинувся з поверхні Місяця в напрямку Сатурна.

Все це відомо тільки жменьці людей, бо наслідки шоку, який неминуче доведеться пережити людству, непередбачувані.

Міжпланетний простір. Космічний корабель «Дискавері». Перші місяці польоту проходять в безтурботному спокої. Два стережуть члена екіпажу - Френк Пул і Девід Боумен - щодня несуть вахту, виконують буденні обов'язки. Троє інших занурені в штучний гіпотермічний сон, від якого їм належить прокинутися тільки тоді, коли «Діскавері» вийде на орбіту Сатурна. Лише цим трьом відома справжня мета експедиції - можливий контакт з позаземною цивілізацією, тим часом як Пул і Боумен вважають політ звичайним дослідним рей сом. Ті, хто готував експедицію, вирішили, що це необхідно для Безпеки і Інтересів нації.

По суті, кораблем керують не люди, а шостий член екіпажу, Еал - мозок і нервова система «Діскавері», евристичний програмована алгоритмічна обчислювальна машина. Еал, створений за допомогою процесу, схожого з розвитком людського мозку, по праву можна назвати істинно мислячою машиною, і він го-ворит з людьми на цьому образному людській мові. Всі можливості ЕАЛа спрямовані на те, щоб виконати задану програму експедиції, але протиріччя між метою і необхідністю приховувати її від колег-людей поступово руйнує цілісність його «психіки». Машина починає помилятися, і нарешті настає криза: чуючи переговори астронавтів із Землею про необхідність відключення ЕАЛа і передачі управління Центру, він приймає єдино можливе рішення: позбутися від людей і завершити експедицію самостійно. Він імітує аварію антени, а коли Френк Пул виходить у відкритий космос, щоб замінити блок, ЕАЛ вбиває його: реактивна капсула-шлюпка на повному ходу летить на космонавта. А в наступну мить приголомшений Боумен бачить на екрані, що шлюпка йде від корабля, тягнучи за собою на страхувальному тросі тіло загиблого друга. Френк Пул першим з людей потрапить на Сатурн.

Боумен намагається розбудити одного зі сплячих, але чує звук, від якого у нього холоне серце: це відкриваються стулки зовнішнього люка і повітря з корабля спрямовується в безодню космосу. Йому вдається врятуватися в аварійній камері, надіти скафандр і відключити вищі центри електронного мозку. Він залишається один в мільйонах кілометрів від Землі. Але двигуни і навігаційні системи корабля в повній справності, зв'язок із Землею відновлена, а аварійного запасу кисню йому вистачить на місяці. Експедиція триває, і Боумен, якому тепер відомо про її кінцевої мети, досягає гігантського мертвого Сатурна. Йому наказано почати обстеження системи з восьмого супутника Сатурна, Япета, Вся поверхню Япета, позбавленого атмосфери, чорна, нагадує за структурою деревне вугілля - крім білого плато разюче правильної овальної форми з чорною ознакою в центрі, яка виявляється точно таким же чорним монолітом, як на Місяці, тільки гігантських розмірів.

Експеримент, започаткований три мільйони років тому, завершився. Моноліт на Япете - Страж Зоряних Воріт - був встановлений тими ж ж, анітрохи не схожими на людей істотами, які послали на Землю загадковий кристал і закопали чорну брилу на Місяці. Їх зусилля не пропали даром: Земля дійсно породила Розум, здатний дістатися до інших планет, а підтвердженням того був сигнал місячного моноліту, який послав звістку на Япет.

Девід Боумен вирішує сісти на Япет в капсулі, і її наближення пробуджує сили, укладені в Зоряних Вратах. Верхня межа чорного моноліту раптом йде вглиб, капсула починає падати в бездонну шахту. Це відкрилися Зоряні Врата.

Час зупиняється - годинник перестають відраховувати секунди, - але сприйняття і свідомість продовжують працювати. Боумен бачить чорні стіни «шахти», а в просвіті міріади зірок, «розбігаються» від центру. Він віддає собі звіт, що з часом і простором коїться щось незрозуміле його розуміння, але не відчуває страху, відчуваючи, що знаходиться під захистом безмежно могутнього Розуму. Врешті-решт він виявляється за сотні світлових років від Землі. Капсула прагне до гігантської червону зірку, в царство полум'я, але коли подорож закінчується, Боумену здається, що він зійшов з розуму - він у звичайному земному готелі. Тільки через деякий час він розуміє, що все це - декорація, зроблена господарями для гостя по телефільму дворічної давності. Боумен лягає в ліжко і засинає - в останній раз в житті. Він зливається з космічним розумом, втрачаючи фізичне тіло, набуває здатності переміщатися в часі і в просторі зусиллям думки і рятує рідну планету від насувається ядерної катастрофи.