Žemė planeta, pleistocenas, pusiaujo Afrikos savanos.
Maža Pithecanthropus gentis yra ant išnykimo ribos. Gamta jiems nepateikė galingų pelekų, nei aštrių nagų, nei greitų kojų, o jų akyse mirgėjo sąmonės žvilgsniai. Tikriausiai šios savybės patraukė kažkokios labai išsivysčiusios nežemiškos civilizacijos dėmesį, kruopščiai auginančią Proto sėklas ten, kur jų galima rasti. Pithecanthropus tampa eksperimentu grandioziniame kosminiame eksperimente.
Vieną naktį upės slėnyje pasirodo visiškai skaidrios medžiagos blokas. Sutemus, kai gentis grįžta į urvus, neįprastas akmuo staiga sukuria keistą vibruojantį garsą, kuris kaip magnetas traukia į Pantecanthropus. Tirštėjančioje tamsoje kristalas atgyja, pradeda švytėti, jo gelmėse atsiranda keistų piešinių. Enchanted Pithecanthropus nežino, kad šiais momentais prietaisas tiria jų smegenis, įvertina jų sugebėjimus, prognozuoja galimas evoliucijos kryptis. Krištolas kreipiasi į save vienaip ar kitaip, ir jie, be savo valios, atlieka naujus judesius: neklaužadais pirštais susiriša mazgą žemėje, vadas paima akmenį į rankas ir bando pataikyti į taikinį. Pamokos tęsiasi kiekvieną vakarą. Per metus genties gyvenimas pasikeičia neatpažįstamai - dabar Pithecanthropus gali naudoti paprastų įrankių rinkinį, medžioti didelius gyvūnus. Amžinas plėšrūnų alkis ir baimė pasitraukia į praeitį, yra laiko minčių ir vaizduotės darbams. Paslaptingasis monolitas dingsta taip staiga, kaip pasirodė. Jo misija įvykdyta - Žemėje pasirodė intelektu apdovanotas gyvūnas.
XXI amžius Amerikiečių tyrinėtojai Mėnulyje, jau apgyvendintame žmonijos, randa pirmuosius neginčijamus nežemiškos civilizacijos egzistavimo įrodymus.
Kaip sužinojo skubiai į Mėnulį iškviestas Nacionalinės astronautikos tarybos pirmininkas, magnetinis žvalgymas aptiko galingą magnetinio lauko iškraipymą Tycho kraterio apylinkėse, o kasinėjimai anomalijos centre rado idealių proporcijų paralelę iš nežinomų Žemėje papildomų sunkiųjų juodųjų medžiagų šešių metrų gylyje. Ryškiausias šio radinio dalykas yra jo amžius: geologinė analizė rodo, kad monolitas čia buvo palaidotas maždaug prieš tris milijonus metų.
Kai mėnulio šviesa sutemsta ir juodasis monolitas pirmą kartą užfiksuoja saulės spindulius po trijų milijonų metų įkalinimo, aplinkinių žmonių ausinėse girdimas auskarų elektroninis verksmas. Šį signalą aptinka kosminiai monitoriai ir zondai, o centrinis kompiuteris, apdorojęs informaciją, daro išvadą: nukreiptas energijos impulsas, akivaizdžiai dirbtinės kilmės, skriejantis iš Mėnulio paviršiaus Saturno kryptimi.
Visa tai žino tik saujelė žmonių, nes šoko, kurį žmonija neišvengiamai turės ištverti, pasekmės yra nenuspėjamos.
Tarpplanetinė erdvė. „Discovery“ erdvėlaivis. Pirmieji skrydžio mėnesiai praeina ramiai. Du budrūs įgulos nariai - Frankas Pulas ir Davidas Bowmanas - budi kasdien. Kiti trys yra panardinti į dirbtinį hipoterminį sapną, iš kurio jie bus pažadinti tik atradus įžengimą į Saturno orbitą. Tik šie trys žmonės žino tikrąjį ekspedicijos tikslą - galimą kontaktą su nežemiškos civilizacijos atstovais, tuo tarpu Pulas ir Bowmanas mano, kad skraidyti įprasta tiriamąja kelione. Tie, kurie paruošė ekspediciją, nusprendė, kad tai būtina tautos saugumui ir interesams.
Tiesą sakant, laivą kontroliuoja ne žmonės, o šeštasis įgulos narys Ealis - „Discovery“ smegenys ir nervų sistema, heuristiškai užprogramuotas algoritminis kompiuteris. Eal, sukurtas vykstant procesui, panašiam į žmogaus smegenų vystymąsi, pagrįstai gali būti vadinamas tikrai mąstančiu aparatu, ir jis žmonėms kalba tikrąja, vaizdine žmonių kalba. Visos EAL galimybės yra skirtos įgyvendinti nurodytą ekspedicijos programą, tačiau prieštaravimas tarp tikslo ir poreikio jį slėpti nuo kitų žmonių pamažu griauna jo „psichikos“ vientisumą. Aparatas pradeda daryti klaidas ir galiausiai ištinka krizė: išgirdęs astronautų kalbėjimąsi su Žeme apie būtinybę išjungti EAL ir perduoti valdymą centrui, jis priima vienintelį įmanomą sprendimą: atsikratyti žmonių ir savarankiškai baigti ekspediciją. Jis imituoja antenos avariją, o kai Frankas Poole'as išeina į kosmosą pakeisti bloko, EAL jį užmuša: visu greičiu reaktyvinis kapsulinis kateris skrenda į kosmonautą. O kitą akimirką pritrenktas Bowmanas ekrane mato, kad laivas palieka laivą, vilkdamas mirusio draugo kūną kartu su juo ant apsauginio kabelio. Frankas Pulas pirmasis iš žmonių keliaus į Saturną.
Bowmanas bando pažadinti vieną iš miegančių žmonių, tačiau girdi garsą, kuris priverčia jo širdį atvėsti: išorinio liuko durys atsidaro, o oras iš laivo sklinda į kosmoso bedugnę. Jam pavyksta ištrūkti avarijos kameroje, apsivilkti kostiumą ir atjungti aukštesnius elektroninių smegenų centrus. Jis lieka vienas per milijonus kilometrų nuo Žemės. Tačiau laivo varikliai ir navigacijos sistemos yra geros būklės, ryšiai su žeme buvo atstatyti, o avarinis deguonies tiekimas truks kelis mėnesius. Ekspedicija tęsiasi, ir Bowmanas, kuris dabar žino savo galutinį tikslą, pasiekia milžinišką negyvą Saturną. Jam buvo liepta pradėti sistemos tyrimą nuo aštuntojo Saturno palydovo Iapetuso. Visas atmosferos neturintis Iapetus paviršius yra juodas, struktūriškai primenantis medžio anglis - išskyrus ryškiai taisyklingos ovalo formos baltą plokščiakalnį su juodu ženklu centre, kuris pasirodo esąs visiškai toks pat juodas kaip monolitas. Mėnulis, tik milžiniškų dydžių.
Eksperimentas, pradėtas prieš tris milijonus metų, baigėsi. Iapetu esančią monolitą - „Žvaigždžių vartų sargą“ - įrengė tie patys padarai, visiškai nepanašūs į žmones, kurie į Žemę pasiuntė paslaptingą kristalą ir palaidojo juodą bloką Mėnulyje. Jų pastangos nebuvo veltui: Žemė tikrai sukėlė Priežastį, galinčią pasiekti kitas planetas, o mėnulio monolito, kuris Iapetui perdavė naujienas, signalas buvo to patvirtinimas.
Davidas Bowmanas nusprendžia sėdėti ant Iapetus kapsulėje, o jos požiūris pažadina Stargate esančias jėgas. Viršutinis juodojo monolito paviršius staiga gilėja, kapsulė pradeda kristi į dugną be dugno. Tai atidarė „Žvaigždžių vartus“.
Laikas sustoja - laikrodis nustoja skaičiuoti sekundes, tačiau suvokimas ir sąmonė toliau veikia. Bowmanas mato juodąsias „minos“ sienas ir daugybės žvaigždžių, išsisklaidžiusių iš centro, spindulį. Jis supranta, kad su laiku ir erdve vyksta kažkas, ko jam neįmanoma suprasti, tačiau nejaučia baimės jausdamas, kad jį saugo be galo galinga Priežastis. Galų gale jis atsiduria šimtus šviesmečių nuo Žemės. Kapsulė siekia milžiniškos raudonos žvaigždės, patekusios į liepsnos sritį, tačiau kelionei pasibaigus, Bowmanas mano, kad jis pamišęs - jis yra įprastame žemiškame viešbutyje. Tik po kurio laiko jis supranta, kad visa tai yra dekoracija, kurią prieš dvejus metus šeimininkai padarė svečiui televizijos filme. Bowmanas eina miegoti ir užmiega - paskutinį kartą gyvenime. Jis susilieja su kosminiu protu, prarasdamas savo fizinį kūną, minties pagalba įgyja sugebėjimą judėti laike ir erdvėje bei išgelbėja namų planetą nuo artėjančios branduolinės katastrofos.
