Сюжет здебільшого заснований на оповіданні Кларка #xAB; Часовий # xBB; (The Sentinel), написаному в 1948 році для конкурсу Бі-бі-сі та вперше надрукованому навесні 1951 року в журналі #xAB; 10 фантастичних оповідань # xBB ;. Перша частина роману, #xAB; У первісній імлі # xBB ;, де Моноліт навчає пітекантропів, заснована на розповіді #xAB; Зустріч на зорі історії # xBB;
Події роману починаються в доісторичної Африці, коли там жили далекі предки людини, пітекантропи. Одного разу плем'я пітекантропів з ватажком на ім'я Той, хто дивиться на Місяць натикається на дивний камінь - перший моноліт. Цей моноліт за допомогою візуальних символів і прямого впливу на мозок навчає пітекантропів використання найпростіших знарядь праці, що дозволяє племені Смотрящего легше добувати їжу, захищатися від хижаків і проганяти конкуруючі племена. Після цього моноліт зникає, а пітекантропи, озброєні новими знаннями, впевнено ступають на шлях до людині розумній.
В експедиції беруть участь п'ятеро астронавтів. Основний екіпаж - Девід Боумен (командир) і Френк Пул (другий пілот), а також троє дослідників (Камінські, Уайтхед і Хантер), що знаходяться в стані анабіозу або гіпотермічного сну (причому про мету експедиції знають як раз вони, а астронавти основного екіпажу залишаються у невіданні). Знає про мету і ще один член екіпажу - розумний комп'ютер ЕАЛ, якому заборонено що-небудь повідомляти екіпажу про справжню мету експедиції до прибуття.
Раптово, коли до мети залишаються ще тижні, ЕАЛ піднімає бунт і вбиває всіх, крім Боумена, якому вдається перемогти комп'ютер і частково відключити його (активними залишилися тільки ті функції, які відповідали за управління кораблем). Залишок шляху Боумен проводить на самоті, а попереду його чекав ще один чорний моноліт, який є збільшеною копією місячного. Моноліт на Япете виявився зоряними вратами, які перенесли Боумена в його одномісній реактивної капсулі в невідому систему подвійної зірки. Капсулу переносить в буденно виглядають кімнату - досить точну копію звичайного номера земного готелю. Боумен лягає спати, а коли прокидається - виявляється позбавленим матеріальної оболонки, ставши безсмертною сутністю з величезними за людськими мірками можливостями. Трохи освоївшись, він вирушає до Землі, підриваючи на її орбіті ядерну боєголовку. Закінчується роман тими ж словами, що і історія Смотрящего на Місяць - Боумен ще не знає, що робити з підвладним йому світом, #xAB; але він що-небудь придумає # xBB ;.