1964年4月，库布里克和克拉克开始合作，他们的合作产物会在日后成为《2001：太空漫游》（2001：aspaceodyssey）。两人利用克拉克创作于1951年的短篇小说《前哨》（TheSentinel）以及其他灵感作为原材料，同时创作起电影的剧本和一部长篇小说。库布里克想要制作出流芳百世的科幻电影，论述人类与宇宙之间的关系。两人最初将这个项目称为“太阳系如何成为赢家”，同时在1965年2月的新闻稿中称为“超越群星之旅”。他们考虑过其他片名，但库布里克最终选中了《2001：太空漫游》，因为名字提及了未来的千禧年和荷马的《奥德赛》（即片名中的“漫游”，译者注）。随着制作进行，库布里克开始意识到，他其实想让电影首先成为视觉（以及听觉）而不是语言上的体验。在不知会克拉克的情况下，他从剧本中删除了大部分原本的对话和解释性叙述――其中大部分都在克拉克的长篇小说中保留下来。确实，电影的许多部分可以当作默片，因为只有背景音乐――电影片头和片尾大约20分钟的部分完全没有对话，这在整部电影中算是相当长了。

　　库布里克将小约翰·施特劳斯的《蓝色多瑙河》和理查德·施特劳斯的《查拉图斯特拉如是说》之类的古典音乐用于电影，这是对于当时的传统电影制作的另一个突破。库布里克早已委托好莱坞作曲家亚历克士·诺斯（Alex North）为电影定制配乐，但最终决定不使用诺斯的配乐。除了一个场景之外，整部电影都是在伦敦的摄影棚内摄制的，利用了好几项创新的电影技术，包括全景电影、太空飞船模型，以及一台30吨重、由一家航天公司特地为《2001》制造的离心机，为的是按照某些太空飞行场景中的需要而旋转场景。电影需要205个特效段落镜头，这在当时是史无前例的，而且一切都是在人类创造出电脑成像技术之前。库布里克的努力之一是如何呈现地外生命，好让他们看上去不像穿上化装服的演员。天文学家卡尔?萨根宣称，外星人看上去不会像人类，于是按照他的建议，库布里克选择不去直接描绘外星人，而是以反复出现的神秘黑色巨石板主题来表现外星人的智慧。

　　电影分为好几个乐章。第一乐章“人类的黎明”发生在400万年前。一群原始类人猿面对着一块神秘的黑色巨石板，意识到骨头可以用来当作武器，朝着获得人类智商的目标有了一次飞跃。在令人惊艳的电影过渡（以电影术语来说，是“匹配剪辑”）中，一根骨头被抛入空中，淡出淡入成为一艘太空飞船，故事随之推进400万年，到达下一乐章。一位科学家中途停留于环地太空站，并将前往月球，在月球上刚刚发现了一件大概是外星人制造的人工制品，这块神秘的黑色巨石板被确定是在400万年前故意埋藏于月球的。随着日光照射到巨石板，它发出高噪声，电影过渡至下一乐章，这次仅仅是未来的18个月以后，“发现一号”太空飞船在它前往木星的路上。3位科学家在漫长的航程中处于人工休眠状态，太空飞船基本上由HAL9000控制，那是一台本该绝不出错的会说话的电脑，还有两名人类宇航员作为助手。任务一直进行得很顺利，直至HAL侦测到飞船的某个系统的一个故障，迫使船员要进行太空行走来修复故障。当结果证明HAL出错之后，船员们决定，他们必须断开电脑，但电脑得知他们的计划，完全控制了飞船，杀害了一名宇航员，并关闭了休眠中的科学家的维生系统。HAL最终被唯一幸存下来的宇航员断开，宇航员乘坐太空舱离开“发现一号”太空飞船，去探索一块绕着木星周转的、远远更大的神秘黑色巨石板。电影在此时过渡到“星门”乐章，它带着宇航员踏上一段疯狂的穿越太空之旅，目睹怪诞的宇宙现象和迷幻的行星景象。他突然间发觉自己在一间新古典主义风格的卧室里（还有一块神秘的黑色巨石板），他在房间里渐渐老去，最终变成了一名婴孩（星孩），凝望起地球。

　　现在，《2001：太空漫游》被许多人认为是史上最佳电影之一。但在上映之后，观众和影评家们最初的反应参差不齐。首映时观众对影片缓慢节奏的抱怨导致库布里克在影片公映之前将影片剪掉了17分钟。就算有了这种删减，影片仍然达到了141分钟的长度，这让部分观众焦躁不安；有些观众提前离场。在洛杉矶首映时，演员洛克·哈德森（Rock Hudson）怒气冲冲地离场，据称说道：“谁来告诉我，这片子讲了啥玩意？”

　　影评家的意见两极分化。诸如《纽约客》杂志上的影评家们称影片“极度缺乏想象力”。另一方面，罗杰·伊伯特（RogerEbert）给予电影四星评价，说电影“在宇宙尺度上大获成功”。有些持负面看法的影评家再一次观看电影后推翻了他们的评价。观众对电影产生兴趣，最终影片吸引了一批忠实的拥趸，成为1968年的北美票房冠军。在1969年的奥斯卡奖上，影片取得四项提名：最佳导演奖（库布里克）、最佳原创剧本奖（库布里克和克拉克）、最佳艺术指导奖和最佳视觉效果奖。影片最终赢取了最佳视觉效果奖。1991年，美国国会图书馆认定影片具有“文化上、历史上或美学上的重要性”，选择它受到国家影片登记表的保存。2008年，NASA参与了影片的40周年庆祝，国际空间站上的宇航员加勒特·赖斯曼（GarrettReisman）向地面传送出一条特别信息，并在电影周年庆典放映时播放。

　　尽管库布里克没有预想《2001》的任何续作，但克拉克还是继续创作了3本续作《2010：太空漫游》《2061：太空漫游》《3001：太空漫游》，其中的第一部在1984年被拍摄成电影，而库布里克没有参与。这部续作是一部更加传统的电影，透过它的叙述，澄清了电影《2001》中的一部分谜团。

　　许多科幻电影领域的巨匠，譬如乔治·卢卡斯、斯蒂芬·斯皮尔伯格、雷德利·斯科特与其他一些人都引证了《2001》对他们事业的非凡影响。电影为大制作的科幻电影（譬如《星球大战》《第三类接触》《异形》《银翼杀手》《超时空接触》等）开辟了市场。

　　大卫·鲍伊（DavidBowie）的热门曲目《太空怪谈》（SpaceOddity）发行于1969年7月11日，在阿波罗11号开始首次登月任务的仅仅5天之前。人们经常错误地认为这首歌与阿波罗登月任务有关，然而这首歌实际上最早写于1968年，鲍伊不止一次地观看《2001》后获得了灵感。

　　《2001》中想象到的一些技术进步已经成为现实。假如你还没看过《2001》，你也许会对库布里克和克拉克的想象的预见性感到惊讶。尽管大小和形状不同，但国际空间站是一个环绕地球运转的平台，上面持续不断地有多国团队进行重大研究。尽管太空旅馆尚未存在，但有些概念已经在筹划之中，将在不太遥远的未来实现。当今的电脑也许没有HAL的所有能力（这大概是件好事），但它们提供了在1968年闻所未闻的性能。

　　1968年是个动荡的年份，而《2001》的上映恰好在那混乱之年的中期。越南战争愈演愈烈，美国军队因为1968年早些时候的“新春攻势”中越共的凶猛进攻而大为震惊。强烈的反战浪潮导致在美国各地出现了广泛的抗议示威，示威中常常出现暴力行为，进而引起警方反应。在整个60年代，民权运动艰难地获得推进；仅仅在《2001》全球上映的两天后，马丁·路德·金就会遭到暗杀。太空竞赛依然十分真实。令三名美国宇航员丧命的阿波罗一号起火事故发生在影片上映的一年多以前，美国试图从那次失败中恢复元气，仍然在尝试达成约翰·肯尼迪总统的目标，即在60年代结束前将人类送上月球。还没有美国人搭乘阿波罗密封舱飞行过，巨大的土星五号火箭仅仅飞行过一次，而且没有载人（土星五号的第二次飞行同样没有载人，并且仅仅获得部分成功，这次发射飞行发生在《2001》全球首映的两天后）。阿波罗八号高风险的绕月之行甚至尚未被构思出来。1968年4月，对于登月目标是否能实现，或者苏联人可不可能在这方面击败美国人，大家还远远吃不准。在电影的预设中，有着巨大的太空基础设施（包括一个大型环地太空站，上面有着国际化的成员），还有到2001年时有定期前往月球基地的太空旅程的设想。在一个充满巨大的不确定性的年代，电影《2001》具备了预见性和强大的乐观主义。