Der Film beginnt mit einer dreiminütigen Musiksequenz aus György Ligetis Atmosphères zu völlig schwarzem Bild, die bei Fernsehausstrahlungen meist ausgespart wird. Das Erste, was der Zuschauer zu sehen bekommt, ist das Logo der Produktionsfirma Metro-Goldwyn-Mayer. In der darauf folgenden Szene befinden sich Mond, Erde und Sonne in Konjunktion. Die Sonne geht auf, und der Vorspann wird eingeblendet. Die Szene wird von der Introduktion aus Also sprach Zarathustra von Richard Strauss untermalt. Der Rest des Filmes kann in vier Akte geteilt werden, jeder Akt (mit Ausnahme des zweiten) wird zuvor mit einem Zwischentitel angekündigt.

Eine Gruppe von Vormenschen in der afrikanischen Savanne. Ihr Alltag wird von Not und vom Kampf ums nackte Überleben bestimmt: Ein Leopard reißt ein Mitglied der Gruppe, Artgenossen aus einer anderen Sippe versuchen, ihnen ihre Wasserstelle streitig zu machen. Eines Morgens erwacht die Gruppe neben einem schwarzen Monolithen, der – unbemerkt von den Vormenschen – auf die Erde gebracht wurde.

Welchem Zweck der Monolith dient, wird zunächst nicht deutlich. Er führt jedoch eine Bewusstseinsveränderung bei den Vormenschen herbei, die ihn ängstlich umtanzen und zaghaft berühren. Seine Funktion wird später klar, als einer der Vormenschen beim Anblick eines ausgebleichten Knochens auf die Idee kommt, den Knochen als Werkzeug oder Waffe zu verwenden. Auch diese Szene wird von der Introduktion Also sprach Zarathustra von Richard Strauss untermalt.

In der nächsten Szene hat sich das Leben der Vormenschenhorde entscheidend verändert. Mit der Tötung eines Tapirs ist der Mensch zum Jäger geworden. Er lebt nun nicht mehr mit den Tieren, sondern von ihnen. Als wieder einmal eine andere Horde versucht, sich der Wasserstelle zu bemächtigen, wird sogar der Anführer der fremden Horde mit dem als Waffe verwendeten Knochen erschlagen. Triumphierend schleudert der neu entstandene Homo faber sein Werkzeug gen Himmel. Die Kamera verfolgt den Flug des Knochens bis zum Umkehrpunkt seiner Flugbahn, und darüber hinaus.

In einem künstlerisch oft zitierten Bildschnitt (einem der berühmtesten Match Cuts der Filmgeschichte) wird das primitive Knochenwerkzeug durch einen technologisch fortgeschrittenen Erdsatelliten ersetzt. Zeitalter sind seit der Urzeitszene der Einleitung vergangen. Man schreibt das Jahr 1999. Verschiedene Satelliten ziehen ihre Gravitationsbahnen im Erdorbit. Die meisten sind durch Nationalflaggen als verschiedenen Staaten der Erde zugehörig gekennzeichnet. Ein pfeilförmiges Raumschiff nähert sich einer großen radförmigen, noch im Ausbau befindlichen Raumstation. Es trägt Schriftzug und Logo der Fluggesellschaft PanAmerican. Zu den Klängen des Walzers An der schönen blauen Donau gleitet die Fähre in die Nabe des riesigen rotierenden Rades.

Einziger Passagier der Fähre ist der Raumfahrtfunktionär Dr. Heywood Floyd. Von der Raumstation will er mit einer anderen Fähre zur Mondstation Clavius reisen. Auf der Raumstation trifft er eine Gruppe sowjetischer Wissenschaftler. Es kursiert das Gerücht über eine Epidemie, die auf Clavius ausgebrochen sein soll, in deren Folge eine Nachrichtensperre verhängt wurde. Auf Fragen der Sowjetwissenschaftler reagiert Floyd höflich, gibt ihnen aber keine Auskunft. Mit einem kugelförmigen Raumschiff reist er weiter zum Mond.

Als Floyd auf Clavius eintrifft, wollen ihm die Wissenschaftler dieser Basis etwas zeigen, das im Mondkrater Tycho ausgegraben wurde. Man bricht mit einer Mondfähre dorthin auf: In einer Grube steht ein Monolith, der dem aus der Eröffnungssequenz gleicht. Der Quader ist vier Millionen Jahre alt, absolut schwarz und erzeugt ein starkes magnetisches Feld. Alles deutet darauf hin, dass er außerirdischer Herkunft ist. Auch in dieser Szene berühren die Menschen den Monolithen. Als über der Grube die Sonne aufgeht und ihr Licht auf den Stein fällt, sendet dieser ein elektromagnetisches Signal in Richtung des Planeten Jupiter, das über die Kommunikationsanlagen der Wissenschaftler ohrenbetäubend laut zu hören ist.

18 Monate später, nunmehr im Jahr 2001 – die USA haben den Bau des Raumschiffs Discovery abgeschlossen. Offiziell besteht dessen Mission darin, am Jupiter wissenschaftliche Forschung zu betreiben. An Bord sind die Astronauten Frank Poole und Dave Bowman, drei weitere Kollegen, die in Tiefschlafkammern im Dauerschlaf liegen, sowie der Supercomputer HAL 9000, der mit einer synthetischen Persönlichkeit ausgestattet ist und das Raumschiff autonom steuert. Als Einziger an Bord hat der 9000er-Computer Kenntnis von der wahren Bestimmung des Unternehmens – der Suche nach weiteren Spuren im Zusammenhang mit dem Monolithen auf dem Mond.

Die Computer der Serie 9000 repräsentieren als technologisches Meisterwerk zu dieser Zeit die Krönung der Computertechnik. Sie gelten als absolut perfekt – unfähig, den geringsten Fehler zu machen oder auch nur unklare Informationen zu liefern. Doch im Anschluss an ein Gespräch mit Dave über das Unternehmen sagt HAL einen Fehler in der AE-35-Einheit voraus. Tatsächlich stellt sich die Einheit aber als voll funktionsfähig heraus. Der Computer HAL, von Menschen geschaffen, beginnt ab diesem Zeitpunkt ein unberechenbares Eigenleben zu entwickeln. Poole und Bowman ziehen sich unter einem Vorwand in eine Gondel zurück, wo HAL sie nicht hören kann, und erwägen HAL abzuschalten oder zumindest seine höheren Funktionen zu blockieren; dieser beobachtet aber ihre Lippenbewegungen. Wenig später kommt Frank auf seinem Wartungsgang (EVA) außerhalb des Raumschiffes zum Zwecke des Wiedereinbaus der AE-35-Einheit durch einen offenbar von HAL verursachten Vorfall ums Leben. Ebenso schaltet dieser die Lebenserhaltungssysteme der drei tiefschlafenden Kollegen ab, da er nun seinerseits alle Besatzungsmitglieder als Gefahr für sich betrachtet (siehe zum Verhalten HALs auch: Double Bind). Nur Astronaut Bowman kann sich retten, und es gelingt ihm, HALs höhere Funktionen abzuschalten. Dabei versucht HAL mit immer neuen Beschwichtigungen und Argumenten, zum Beispiel über die Wichtigkeit der Mission, ihn von seinem Entschluss abzubringen.

Während seiner schrittweisen Abschaltung scheint HAL förmlich Emotionen zu empfinden („Ich habe Angst“) und erinnert sich an Bruchstücke aus seiner Entwicklung; unter anderem an ein Lied, das ihm sein „Schöpfer“-Ingenieur beibrachte. Nachdem er von Bowman, der im Gegensatz zu HAL keinerlei Gefühlsregungen zeigt, zum Singen aufgefordert wird, beginnt er ein triviales Kinderlied zu singen. Im Original heißt es Daisy Bell, in der deutschen Fassung ist es Hänschen klein. Während er singt, verlöschen HALs Funktionen nach und nach, und seine Stimme wird langsamer und tiefer. Durch die Abschaltung von HAL wird dann eine geheime Videobotschaft vorzeitig abgespielt, in der der Leiter des Unternehmens, Dr. Heywood Floyd, über den Fund des Monolithen auf dem Mond berichtet.

Als Bowman mit der Discovery den Jupiter erreicht, schwebt ein weiterer Monolith im All. Bowman besteigt eine Raumkapsel, um den Monolithen zu untersuchen und gelangt nach einem spektakulären Flug an einen unbekannten Ort.

Zunächst wird der Betrachter in eine lange psychedelische Farbsequenz geradezu hineingezogen. Sie endet, hin und her wechselnd zwischen (meist falschfarbenen) Bildern des Weltraums und von Sternen, der Erdoberfläche und Detailaufnahmen von Bowmans Auge. Anschließend sieht man eine leere Zimmerflucht, die durch ihren Fußboden aus leuchtenden Platten einen futuristischen Eindruck vermittelt, aber zugleich im Barock-Stil Louis XVI. eingerichtet ist. Inmitten dieses surrealistischen Raums steht Bowmans Raumkapsel.

Aus ihr heraus erblickt Bowman sich selbst, im Raumanzug in dem Zimmer stehend und bereits um Jahre gealtert. Die Kamera nimmt nun die Perspektive dieses zweiten Bowman ein, während der erste, mitsamt seiner Raumkapsel, mit dem nächsten Schnitt verschwunden ist. Bowman sieht sich um und entdeckt einen Spiegel, in dem er sich betrachtet. Dann bemerkt er die Anwesenheit einer weiteren Person im Nebenzimmer. Als er einen Blick in das Zimmer wirft, sieht er sich selbst, wieder etliche Jahre gealtert, wie er an einem Tisch eine Mahlzeit zu sich nimmt. Die Perspektive wechselt erneut. Der dritte Bowman stürzt aus Versehen sein Glas um und betrachtet verhalten die Scherben. Als er langsam aufblickt, sieht er sich ein weiteres Mal selbst als sterbenden Greis auf dem Bett liegen. Die Perspektive wechselt wiederum und übernimmt den Blick des Greises, des vierten Bowman, der im Sterbebett liegt und den schwarzen Monolithen betrachtet, welcher plötzlich mitten im Raum steht, umrahmt vom Interieur des Zimmers mitsamt zweier antiker Statuen zur Linken und zur Rechten. Der Greis hebt seine Hand, als wollte er den Stein berühren, wie ihn bereits die Urmenschen sowie die Astronauten auf dem Mond berührten.

In der nächsten Einstellung erscheint, wo zuvor der Sterbende lag, ein Fötus mit weit geöffneten Augen – und einer deutlichen Ähnlichkeit mit Bowman – in der Fruchtblase. In der folgenden Schlusssequenz schwebt dieser Fötus (in der Titelmusik „Starchild“ genannt) zwischen Mond und Erde im Weltraum. Dabei scheint er die Erde zu betrachten. Wie zu Anfang erklingen abermals die Bläser aus Richard Strauss’ Also sprach Zarathustra.

Quelle: WikiPedia DE