При тщательном анализе направления предполагаемого места назначения сигнала на орбите Юпитера был обнаружен третий «монолит», гораздо больший, чем первые два. Чтобы исследовать этот «монолит», было решено использовать готовящуюся экспедицию «Дискавери» по исследованию колец и спутников Сатурна.

Так как к тому времени люди ещё не совершали столь длительные перелёты, то было решено ввести команду исследователей в состояние анабиоза, а полёт доверить трём членам экипажа — двум пилотам НАСА и новейшему компьютеру с искусственным интеллектом HAL 9000. Однако помимо логических построений и имитации человеческих эмоций, в алгоритмы работы HAL 9000 были привнесены жёсткие инструкции об истинной цели экспедиции со стороны военных, что и предопределило трагический исход экспедиции.

HAL 9000, испытывая необъяснимые затруднения в сокрытии истинной цели экспедиции (о «монолите» никто из экипажа не должен был узнать до тех пор, пока «Дискавери» не достигнет его), сначала «солгал» членам экипажа о неисправности блока антенны связи с Землёй, а затем, в ответ на разговор пилотов о недоверии искусственному интеллекту, убил одного из членов экипажа в открытом космосе, имитировав несчастный случай, и затем отключил системы жизнеобеспечения находящихся в анабиозе учёных. Чудом выживший Дейв Боумен (Кир Дулли) смог деактивировать HAL 9000 и достичь Юпитера. Там ему была объяснена истинная цель экспедиции — третий «монолит», но когда Боумен попытался обследовать его, то был унесён «за бесконечность» (так называется последняя глава фильма, (^enBeyond the Infinite), по книге — за двадцать тысяч световых лет от Земли. Боумен оказался в странной комнате, где он с огромной скоростью (для зрителя) постарел. А на его смертном одре четвёртый «монолит» превратил Боумена в «Звёздное дитя». В финале картины зритель видит Боумена, взирающем на землю из космоса в новом обличье.

Сиквел

У фильма «Космическая одиссея 2001» существует продолжение — фильм «2010», снятый в 1984 году. Этот фильм является экранизацией второй книги в серии «Космическая одиссея» Кларка, но снимал его не Стэнли Кубрик, а режиссёр Питер Хаймс, и «2010» не приобрел такого количества поклонников, как его предшественник.

Интересные факты

• Сцены посадки на Луну, а также движения астронавтов, полёты космических кораблей, состояние невесомости выглядят настолько реалистично, что в Америке до сих пор распространены слухи, будто в 1970-х годах Кубрик участвовал в так называемом «лунном заговоре» и снимал в Неваде сцены высадки на Луну американских астронавтов проекта «Аполлон».
• Пропорции Монолита соответствуют пропорциям главного здания ООН в Нью-Йорке (1:4:9, то есть равнялось отношению квадратов первых трех натуральных чисел).
• Спутник Сатурна Япет, на поверхности которого (согласно роману А. Кларка) находится третий «монолит», и к которому, собственно, направлялась экспедиция «Discovery» — действительно очень странное небесное тело. Одно его полушарие значительно темнее (по альбедо) другого.
• Фрэнк Миллер, который озвучивает управление полётами, был военнослужащим ВВС США в реальной жизни и контролировал реальные миссии. Его утвердили на эту роль, потому что его голос был самым подлинным, который кинематографисты смогли найти. Неопытный и нервный, он не мог удержаться от постукивания ногой во время записи сессии, и тогда неоднократно приезжавший на запись аудио треков Стэнли Кубрик сложил полотенце, положил его под ноги Миллера, и сказал ему, что теперь можно стучать вволю.
• В честь книги и фильма, НАСА назвала орбитальный аппарат Mars: 2001 Mars Odyssey.
• Стэнли Кубрик был очень внимателен к деталям: для съёмок были сделаны инструкции по использованию различных узлов космических аппаратов.
• В 2011 году компания Samsung в судебном разбирательстве с Apple апеллировала тем, что прообраз iPad можно увидеть в «Космической одиссее 2001 года».
• В компьютерной игре Spore есть момент, который ссылается на фильм: в момент, когда персонаж достигает стадии «Племя», можно просмотреть ролик, который копирует стадию, когда австралопитек учится использовать кость. Он также сопровождается характерным саундтреком. На стадии «Космос» существует возможность устанавливать на планеты с более низким развитием местных существ объект Монолит, по форме и назначению аналогичный монолиту в фильме.
• В книге трилогии «Черный свет» автор Мелентьев, Виталий Григорьевич издательства «Детская литература» 1973 г. присутствуют рисунки практически идентичные кадрам из фильма.