库布里克耗时四年打造了这部充满哲学思考的史诗巨作。史前时代，一块巨大的黑色石碑出现在原始人面前。那时的人类刚开始学会使用工具，而黑石的出现仿佛成为推动文明进化的重要节点。此后，它又在宇宙的不同角落现身：有时矗立于月球之上，有时漂浮在浩瀚太空之中，始终笼罩着神秘而难以解读的意味。
时间来到2001年。为了追寻黑石的起源，人类启动了前往木星的登陆计划。飞船上共有三名处于冬眠状态的宇航员，负责执行任务的是大卫船长（凯尔·杜拉 Keir Dullea饰）和富兰克飞行员（加里·洛克伍德 Gary Lockwood饰），以及一台名为“HAL9000”的高智能电脑。航行途中，HAL9000出现故障并陷入失控，导致富兰克和三名冬眠人员相继死亡。最终，只剩下大卫与这台电脑展开生死对抗。
从死亡边缘挣脱出来后，大卫愤怒地关闭了HAL9000的主脑系统，使其彻底失效。此时，茫茫宇宙中只剩大卫独自一人，继续向木星前进。当他穿越瑰丽而诡异的星门，仿佛进入了一个超越现实的奇异时空，并在那里触及人类无尽的生死轮回与宇宙终极知识。
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