Film składa się z czterech części, z których każda opowiada inną historię. Główna fabuła skupia się na poszukiwaniu tajemniczego czarnego monolitu przez astronautów Davida Bowmana (Keir Dullea) i Franka Poole'a (Gary Lockwood), którzy wyruszają w kosmos na pokładzie statku kosmicznego Discovery One. Druga część filmu pokazuje członków prehistorycznego plemienia, którzy odkrywają pierwszą z monolitów.

Film wyróżnia się przede wszystkim piękną, nastrojową muzyką, w tym utworami takimi jak Also sprach Zarathustra oraz The Blue Danube. Charakterystyczne jest również minimalne wykorzystanie dialogów i bardziej skupienie się na obrazie, co nadaje filmowi surrealistyczny klimat.

2001: Odyseja kosmiczna jest dziś uważany za jeden z najważniejszych i najbardziej wpływowych filmów w historii kina, ze względu na swoją nowatorską wizję przyszłości oraz odważną eksplorację koncepcji sztucznej inteligencji i kontaktu z pozaziemską cywilizacją.