Ce roman est né d’une collaboration entre son auteur et Stanley Kubrick, le réalisateur du célèbre film de science-fiction qui porte le même titre.

Le roman débute par une description de la survie d’une peuplade primitive d’hommes-singes, qui habite dans une région désertique. Son chef, Guetteur de Lune, mène le groupe tout en cherchant à le protéger des bêtes sauvages et, en particulier, du léopard qui, régulièrement, s’attaque aux membres de la tribu.

Un jour, un rocher transparent est apparu sur le territoire de la tribu. Ce rocher, doté de dons exceptionnels, provoque les membres de la tribu et notamment Guetteur de Lune. Lors d’une attaque du léopard, la tribu se défend vaillamment et finit par obtenir que celui-ci s’écrase sur le sol, ce qui permet au chef de brandir sa tête découpée, qu’il utilise ultérieurement comme arme pour tuer son rival  Une Oreille.

Au terme de cette partie préhistorique, le roman évolue vers l’exploration de l’espace. On y voit la lune servant de base intermédiaire à des voyages interplanétaires dans des capsules à la technologie très avancée. Sur cette base, les représentants américains et soviétiques se saluent cordialement, sans manifester le moindre antagonisme.

Le roman se développe ultérieurement dans l’exploration du système solaire à bord du vaisseau Explorateur 1, dirigé par David Bowman et Frank Poole. Le but de leur mission est de joindre Jupiter. Seulement, pour des motifs inattendus, il est décidé que le vaisseau se laisserait entraîner par la gravitation de la planète pour pousser sa trajectoire jusque vers Saturne.

A bord du vaisseau se trouvent également des individus placés en hibernation et toute la trajectoire est contrôlée par un ordinateur de bord surpuissant.

Le roman montre encore un conflit entre les deux membres actifs de l’équipage. A la fin, David Bowman se retrouve solitaire pour mener l’expédition jusqu’à son terme et le lecteur le voit plutôt incertain avant l’achèvement de sa mission.

Avec toute sa fantaisie, ce roman révèle le talent de l’auteur à sortir du contexte de la vie réelle et à se projeter dans un imaginaire plus ou moins plausible qui, à l’époque de la conquête de la Lune, faisait rêver de nombreux humains.