《太空漫遊2001》的故事發生在未來的太空時代，講述了人類探索太空的歷程、技術和思想觀念的轉變。故事主要圍繞著三個主要人物和一個神秘的外星物體展開。
故事的主角是年輕的太空人弗朗西斯·哈爾·普爾，他奉命前往一個遙遠的外星星系調查一艘科學考察船的神秘失蹤事件。在調查過程中，弗朗西斯發現了一個巨大的黑色金屬物體，該物體是一個未知的外星文明遺留下來的。這個外星物體擁有超乎想像的科技水平，可以與人類的大腦直接交流，並展示出驚人的智慧型和創造力。
同時，弗朗西斯還結識了一位老練的太空人喬瑟夫·史米特，他曾參與過人類早期的太空探索，並且一直在探索宇宙中隱藏的奧秘。喬瑟夫·史米特對於這個外星物體的出現持有不同尋常的觀點和見解，並試圖將其運回地球進行進一步的研究和開發。在前往地球的過程中，他們還遇到了一位神秘女子莉莉，她似乎與這個外星物體有著某種神秘的聯繫。
在返回地球的過程中，弗朗西斯、喬瑟夫和莉莉逐漸發現這個外星物體並非簡單的遺留物，而是一種高度先進的智慧型生命體——奧菲斯。奧菲斯試圖與人類建立聯繫，並通過與人類大腦直接交流的方式滲透人類社會，引發一場意識形態和文化觀念的變革。在這個過程中，人類面臨著巨大的挑戰和考驗，同時也得到了前所未有的啟示和成長。
最終，人類在奧菲斯的幫助下解決了自身的困境和危機，並與外星文明建立了聯繫和合作。故事以人類對未知宇宙的探索和思考為背景，探討了人類文明的本質、科技與道德的關係、人類與外星生命體的交流等問題，引發了觀眾對於人類未來的思考和探索的共鳴。