События романа начинаются в доисторической Африке, когда там обитали далёкие предки человека, питекантропы. Однажды племя питекантропов с вожаком по имени Смотрящий на Луну натыкается на странный камень — первый монолит. Этот монолит с помощью визуальных символов и прямого воздействия на мозг обучает питекантропов использованию простейших орудий труда, что позволяет племени Смотрящего легче добывать пищу, защищаться от хищников и прогонять конкурирующие племена. После этого монолит исчезает, а питекантропы, вооружённые новыми знаниями, уверенно ступают на путь к человеку разумному.
В 1999 году на Луне находят «чёрный монолит» — объект, созданный инопланетным разумом. В связи с его свойствами (сильное электромагнитное поле) объект получает название Лунная Магнитная Аномалия, или ЛМА. После того, как объект оказывается под солнечными лучами (раньше он был зарыт на глубину 10 м в лунный грунт), он посылает мощный сигнал в космос. Землянам удаётся примерно проследить, куда направлен сигнал. Выясняется, что сигнал направлен в сторону Япета, одного из спутников Сатурна. В это самое время, на окололунной орбите, в течение последних полутора лет велась интенсивная подготовка к старту межпланетного корабля «Дискавери 1», который должен был, в рамках программы «Проект Юпитер» осуществить первый полёт к Юпитеру и исследовать как саму планету, так и её спутники. Руководство НАСА принимает решение об отмене этого полёта и отправке «Дискавери» на Япет.
В экспедиции участвуют пятеро астронавтов. Основной экипаж — Дэвид Боумен (командир) и Фрэнк Пул (второй пилот), а также трое исследователей (Камински, Уайтхед и Хантер), находящихся в состоянии анабиоза или гипотермического сна (причём о цели экспедиции знают как раз они, а астронавты основного экипажа остаются в неведении). Знает о цели и ещё один член экипажа — разумный компьютер ЭАЛ[3], которому запрещено что-либо сообщать экипажу об истинной цели экспедиции до прибытия.
Внезапно, когда до цели остаются ещё недели, ЭАЛ поднимает бунт и убивает всех, кроме Боумена, которому удаётся победить компьютер и частично отключить его (активными остались только те функции, которые отвечали за управление кораблём). Остаток пути Боумен проводит в одиночестве, а впереди его ждал ещё один чёрный монолит, являющийся увеличенной копией лунного. Монолит на Япете оказался звёздными вратами, которые перенесли Боумена в его одноместной реактивной капсуле в неизвестную систему двойной звезды. Капсулу переносит в обыденно выглядящую комнату — довольно точную копию обычного номера земного отеля. Боумен ложится спать, а когда просыпается — оказывается лишённым материальной оболочки, став бессмертной сущностью с огромными по человеческим меркам возможностями. Немного освоившись, он отправляется к Земле, взрывая на её орбите ядерную боеголовку. Заканчивается роман теми же словами, что и история Смотрящего на Луну — Боумен ещё не знает, что делать с подвластным ему миром, «но он что-нибудь придумает».
