На початку роману перед нами постає величний образ планети Земля на тлі саван Екваторіальної Африки.
Невелике плем’я пітекантропів починає вимирати. Природа не обдарувала їх гострими кігтями, ні хижими іклами, зате вони володіють зачатками свідомості. Ймовірно, саме здатність мислити привернула сюди одну з позаземних цивілізацій ций, яка вирощує скрізь насіння Розуму, де тільки знайде їх. Пітекантропи були обрані в якості об’єкта космічних експериментів.
Одного разу вночі, над річковою долиною зависає величезна брила з зовсім прозорого матеріалу. В темряві, коли пітекантропи поверталися до печери, камінь видає дивний, вібруючий звук, який приваблює пітекантропів зразок магніту. В густій пітьмі, кристал раптом оживає, і в його серцевині починають з’являтися зовсім незрозумілі зображення. Приголомшені пітекантропи в цей момент не розуміють, що кристал досліджує їх мозок, виявляє здібності та напрями для подальшого розвитку людиноподібних мавп. Апарат підкликає до себе то одного, то іншого пітекантропа, і вони проробляють досі невідомі для них маніпуляції. Неслухняні пальці навчаються зав’язувати перший вузол на Землі, ватажок намагається потрапити каменем точно в мішень. Заняття тривають кожну ніч. Тепер плем’я пітекантропів взагалі не дізнатися. Вони оволоділи багатьма знаряддями праці, полюють на великих тварин, в тому числі і хижаків, яких до цього дуже боялися. Вічне побоювання за своє життя і страх перед голодом відходять на другий план. З’являється вільний час для думки і творчості. Таємничий моноліт зник так само несподівано, як і прибув на Землю. Тепер на Землі з’явилася самостійна цивілізація людей, у яких був Розум.
У 21 столітті вчені знаходять на Місяці, де теж тоді вже жили люди, докази існування інопланетної цивілізації. Голова Національного Космічного ради, викликаний на Місяць, дізнається, що вимірювач магнітних показників, засік потужне спотворення магнітного поля в районі місячного кратера Тихо. Під час розкопок на глибині шість метрів був знайдений рівний паралелепіпед з ідеально рівними пропорціями, зроблений чорного надміцного з речовини невідомого людям. Ця знахідка вразила вчених своїм віком. Дослідження показали, що монолітний блок інопланетного походження був заритий на Місяці близько трьох мільйонів років тому.
Під час місячного світанку моноліт ловить промінь Сонця, і тоді в шлемофонах стоять навколо дослідників лунає незрозумілий і пронизливий шум. Цей звук обробляють космічні монітори і зонди, і за допомогою комп’ютерної техніки вдалося з’ясувати, що звук був явно штучного походження, і імпульс був посланий з Місяця на поверхню Сатурна.
Про все це знали зовсім небагато, тому що така подія могло породити у людства справжній шок.
Далі, дія роману переноситься в космічний простір, на міжпланетний корабель «Діскавері». Перші місяці космічного подорожі проходять дуже спокійно. На борту корабля спали два члени екіпажу — Френк Пул і Девід Боумен. Вони щоденно несли вахту і виконували необхідні інструкції обов’язки. Троє інших членів екіпажу спали, занурені в стані штучного гіпертермічного сну. Вони прокинуться лише тоді, коли корабель долетить до орбіти Сатурна. Тільки сплячі знають справжню мету подорожі — можливий контакт з представниками інопланетної цивілізації, в той час як Френк і Девід вважають політ звичайної дослідницької місією. Організатори подорожі вважали, що секретність місії необхідна заради інтересів і безпеки всього людства.
Насправді кораблем більше керують не люди, а шостий «комп’ютерний» член екіпажу — Эал, алгоритмічний обчислювальний механізм — центральна система і мозок «Діскавері». Здібності Эала схожі з функціоналом мозку людини, тільки дуже розвиненого. Машина навіть спілкується з людьми на їх образному мовою. Комп’ютер Эал запрограмований на досягнення мети експедиційного рейсу, але суперечність між цією метою подорожі і необхідність приховувати правду від людей, поступово руйнують мозок» Эала. Машина робить грубі помилки, і нарешті, вирішує і зовсім позбутися від людей і завершити дослідження самостійно, коли чує під час переговорів астронавтів з Центром про необхідність відключити бортовий комп’ютер і передати управління кораблем Землі. Эал навмисне імітує несправність антени. Коли Френк Пул виходить у космос, щоб замінити зламану деталь, Эал направляє на космонавта реактивну рятувальну капсулу-шлюпку, від удару якій Пул гине. На екрані монітора Боумен бачить як шлюпка відлітає від корабля, тягнучи на страхувальний канат) тіло загиблого товариша. Френк Пул буде першим з людей, який потрапить на Сатурн.
Боумен намагається розбудити одного зі сплячих, але те, що відбувається далі, змушує його похолодеть від жаху. Эал відкрив корабельні люки і почав викачувати з судна повітря в космічний простір. Але космонавту вдається відключити нещасливу центральну бортову систему, надіти скафандр і замкнутися в рятувальному відсіку. На відстані в мільйони кілометрів від Землі Боумен дізнається про справжню мету подорожі. Двигун і навігаційні системні корабля у повній справності, і Боумен вирішує завершити подорож самостійно. Нарешті, астронавт досягає поверхні гігантської Сатурна. Землі Боумен отримує вказівку почати дослідження з супутника Сатурна — Япета. Вся поверхня супутника схожа на чорне вугілля, тільки з білим рівним плато і чорною міткою посередині. Плато було схоже на моноліт, знайдений на Місяці, тільки він був ще більших розмірів.
Експеримент, який розпочався три мільйони років тому, підійшов до кінця. Моноліт, знайдений на Япете, виявився Охоронцем Зоряних Брам. Його встановили тут представники інопланетної цивілізації. Вони ж відправили на Землю таємничий кристал і зарили чорний моноліт на Місяці. Земля дійсно створила новий Розум, за допомогою якого люди навчилися досліджувати інші планети. З місячного моноліту на Япет був посланий сигнал, щоб повідомити позаземним цивілізаціям цю приємну новину.
Девід Боумен вирішує приземлитися на Япете в рятувальній капсулі. Відчуваючи наближення людини, сили Зоряних брам починають пробуджуватися і захоплюють верхню грань моноліту вглиб планети-супутника. Рятувальна капсула Боумена здіймається в неосяжну чорноту шахти. Ось так відкрилися Зоряні Ворота.
Час зупинив свій біг. Годинник перестали відраховувати дорогоцінні секунди, але сприйняття і свідомість продовжують свою роботу. Боумен бачить чорне простір космічного «розлому», уздовж яких розбігаються міріади мільйонів зірок. Він усвідомлює, що з часом і простором сталося щось недоступне розуміння звичайної людини, але Боумен довірився мощі всюдисущого Розуму. У кінцевому рахунку, сотні світлових років відділяють космонавта від Землі, він уже назустріч гігантської червоній зірці, в обитель полум’я. Але в кінці подорожі Боумен відчуває, що, напевно, збожеволів. Він виявляється в простому готелі, господарі якого розіграли це «зоряне пригода» для свого шановного клієнта. Він розуміє, що все побачене колись було простий декорацією, зробленої з відомого фільму дворічної давності. Він занурюється у свій останній земний сон. Його розум стає єдиним з Космосом. У такому разі фізична оболонка людини стає непотрібною. Боумен може пересуватися по простору силою думки. Він рятує свою планету від наближається ядерного Апокаліпсису.