In un giorno imprecisato, agli inizi del XXI secolo, un gruppo di scienziati scopre, sepolto in un cratere lunare, un misterioso monolito, composto di una materia sconosciuta. I controlli cui viene sottoposto rivelano che è stato costruito tre milioni di anni prima: è la prova inconfutabile dell'esistenza dell'intelligenza extraterrestre. Fatto ancora più sorprendente, non appena la luce dell'alba lunare lo sfiora, l'oggetto emette un segnale radio di incredibile potenza che attraversa gli spazi profondi e viene captato da sonde lontane milioni di chilometri. Le registrazioni rivelano che il segnale è rivolto verso Giapeto, un satellite di Saturno. Un'astronave, la Discovery, con a bordo cinque uomini, tre dei quali ibernati, e Hal 9000, un calcolatore di illimitate capacità, intraprende un incredibile viaggio di 1540 milioni di chilometri verso Saturno e il mistero. Al termine del drammatico viaggio, David Bowman, l'Ulisse dello spazio, farà una scoperta sconvolgente: Saturno non è il punto di arrivo, ma solo il punto di partenza della sua odissea fra le stelle.
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