早在1957年，库布里克就对科幻片产生了兴趣。1956年，米高梅推出了《禁止的星球》，这是第一部由好莱坞大公司拍摄的科幻片。在此之前，这一领域被独立片商所统治，像《目的地月球》、《征服太空》等采用的都是廉价的布景、简单的特技和三流的演员。
《禁止的星球》是个例外，它由《拉茜回家》的麦克莱奥德·威尔考克斯执导，沃尔特·皮金主演，演员还包括安妮·弗朗西斯、莱斯利·尼尔逊和理查德·安德森等。该片被拍成了全景电影，为了完美特技效果，米高梅从迪斯尼借来了乔舒亚·梅多尔，后者曾为《幻想曲》中的“春之祭”段落制作过火山模型。作曲由路易斯和贝比·巴隆兄弟担任，他们很早就在尝试电子音乐。库布里克无意中看到了这部影片，马上被它的技术所吸引。实际上，这也是米高梅愿意为该片投资的原因，后来，米高梅也成为《2001年太空漫游》的投资者。
50年代中期也是日本怪兽科幻片的鼎盛时期，1954年，本多猪四郎拍出了首部《哥斯拉》，从而开创了风靡一时的哥斯拉电影系列。这类以未来时空为背景表现怪兽与人类、怪兽与怪兽之间大战的电影固然很幼稚，但因为使用了先进的彩色片和全景电影技术，加上日本独一无二的美丽风光，所以在欧美占据了很大的市场。受利益驱使，好莱坞大公司纷纷群起效仿，用美国本土的二流明星重新演绎，将这类电影改头换面地推入影院。
1957年，英国拍出了《天际卫星》，讲述太空飞船被一枚实验性导弹击中，包括导弹发明人在内的全体船员被迫在宇宙空间寻求生路，该片的特技制作由沃利·维弗斯操刀，他设计的用火车轨道发射飞船的场面给库布里克留下了很深的印象。一年后，英国BBC播映了6集电视片《夸特马斯和地狱》，片名中提到的科学家尼格尔·伯纳德·夸特马斯本来是要挖掘埋在伦敦地下的一枚“二战”时期未爆炸的炸弹，结果却发现了内有外星人遗骸的宇宙飞船，这些外星人形同猿猴，通过改变基因而提高智能。夸特马斯由此得出结论，数百万年以前，外星人正是通过基因转换将猿猴变成了人类。夸特马斯的理论也许会让进化论的学者们贻笑大方，但却为库布里克拍摄《2001年太空漫游》找到了依据。
《2001年太空漫游》正式启动的日期应该是在1964年2月，当时库布里克正在纽约为《奇爱博士》作发行宣传。他在特拉德·维克餐厅约哥伦比亚的公关人员罗．杰·卡拉斯共进午餐。席间，卡拉斯问他下一步打算拍什么。“听了别笑，”库布里克说，“我对太空中是否有人类存在很着迷。”
然而，为《2001年太空漫游》带来最直接灵感的并非科幻片，而是美国西部片。1962年，米高梅发行了西部史诗片《西部是怎样征服的》，162分钟的长度，由4位导演合作，以近一个世纪的跨度讲述了美国开发西部的历史。影片将纪录片镜头与故事片段落穿插在一起，由斯潘赛·屈塞担任解说。
米高梅动用三组摄影机同时拍摄，然后运用特殊技术将三幅画面组接在一起，使其只能在特制的超宽银幕上放映。该片在美国共收回了2100万美元票房，获得了三项奥斯卡提名，编剧詹姆斯·韦布最终获得最佳剧本奖。为了放映这部电影，一批新型影院在全球各地建立起来，原来的影院也经过了改造，这意味着需要有更多的同类电影来满足这些影院。米高梅之所以投拍《2001年太空漫游》，正因为库布里克在该片中采用了此项技术。
在决定要拍一部科幻片后，库布里克招聘了一位助手，负责阅读所有知名科幻作家的作品，希望从中找到他未来的合作者。
“为什么你还要浪费时间读别人的作品？”卡拉斯在特拉德·维克餐厅对库布里克说，“为什么不从最好的开始？”
“谁？”
“阿瑟·克拉克。”
“但是我知道他是个隐士，”库布里克说，“一个住在印度以树为家的怪人。”
卡拉斯是克拉克的崇拜者，他立刻解释说克拉克一点儿也不古怪，不过是个四十多岁的和蔼可亲的英国绅士，他选择住在斯里兰卡是因为喜欢那里的气候，因为他的长期搭档迈克·威尔逊在那里经营潜水活动的生意。克拉克经常到处旅行，他会在数周后来到纽约参观世界博览会的开幕式。
午餐过后，卡拉斯给在斯里兰卡的克拉克发去一封电报，电文是：《奇爱博士》、《光荣之路》的斯坦利·库布里克有意拍一部科幻片，你有兴趣与称你为隐士的人合作吗？克拉克没看过《奇爱博士》，但他很喜欢《洛丽塔》。于是，他给卡拉斯回电说：“非常有兴趣，请与我的经纪人接洽。是什么使得库布里克认为我是隐士？”
如果卡拉斯推荐的是艾萨克·阿西莫夫、罗伯特·海恩莱恩、雷伊·布拉德伯雷或其他科幻小说大家中的一位，《2001年太空漫游》就会是另外一种面貌。1964年4月，克拉克抵达纽约。在经过伦敦时，他看了《奇爱博士》，印象很深。他在特拉德·维克餐厅见到了库布里克，开始谈论科幻作品。8个小时过后，他们依然在聊这个话题。这样的讨论继续了6个星期。白天，克拉克为时代一生活出版公司编辑他的一本著作；晚上，便与库布里克一起徜徉在科学幻想的世界里。他们谈论最多的是兰德公司提供的一份关于其他星球上可能存在生命的报告，在筹拍《奇爱博士》时，库布里克就因为要了解核武器而读过这份报告。“斯坦利当时正处在相信飞碟的危险边缘，”克拉克说，“我觉得我来得正是时候，将他从这可怕的处境中拯救了出来。”
库布里克和克拉克参观了世界博览会，美国宇航局的一部名为《飞往月球》的纪录片深深吸引了他俩。他们雇佣了制作该片的格拉菲克影片公司来为《2001年太空漫游》的序幕部分工作。这家公司里的一名技术人员道格拉斯·特隆布尔后来成为好莱坞的特技大师，被斯皮尔伯格请去负责《第三类接触》的特技。
5月17日，克拉克与库布里克正式签约，为《2001年太空漫游》撰写剧本。这时，克拉克已经意识到库布里克并不想拍一部科幻情节剧，他要的是一部有戏剧成分的“神话纪录片”——就像《西部是怎样征服的》那样。片中可能有画外解说，应该包括宇航员在外层空间的生活以及在太空飞行中所遇到的困难。穿插在其中的是对宇航员、物理学家、宗教领袖和太空研究专家的采访。
到1964年底，库布里克与克拉克已经完成了长达130页的电影提纲。每个部分的标题也已经构思完成，它们是“人类的黎明”、“朱庇特使命：18个月后”和“朱庇特与超越无限”等。库布里克的经纪人、律师、新闻发言人和业务经理路易斯·布劳向罗伯特·奥布里恩递交了一份合作意向书，后者在两年前已被提升为米高梅公司的总裁。库布里克告诉奥布里恩他有三天来做决定，如果三天之后得不到回音，这一拍摄计划将转到其他公司。
在这份意向书里，整体的故事结构已经成型，它开始于一次旨在发现月球上是否存在外星生物的太空远征，随着调查的深入，远征队初步估计信号源来自于土星。于是，一艘名为“发现号”的太空飞船奉命驶向土星，但这个过程中，飞船上的哈尔9000~乜脑摆脱了人类的控制，夺去了四名宇航员的生命。唯一的幸存者接近了土星，但在经历了一场奇异现象之后，他最终变成了象征着人类新的开端的星际婴儿。
奥布里恩是一位热爱电影的爱尔兰人，他崇尚大导演，尤其是库布里克。但是，他接手的米高梅是个烂摊子，而搞垮这个公司的恰恰就是所谓的史诗巨片。《叛舰喋血记》和伊丽莎白·泰勒与理查德·伯顿主演的《群英会》带来的是l750万美元的赤字，而大卫·里恩正在拍摄中的《日瓦戈医生》也吃进了公司大把的流动资金，生死尚不知晓。令他稍感欣慰的是，其他公司的状况也不容乐观。《埃及艳后》让20世纪福克斯破了产，《罗马帝国的堕落》的2000万美元成本也使塞缪尔·布隆斯顿公司奄奄一息。
电视的出现改变了好莱坞的格局。从1956年起，以疯狂喜剧、科幻片和动作片为主打产品的海外市场蓬勃兴起，让好莱坞公司挣到了远比在国内市场多得多的钱。与此同时，英国成了拍电影的风水宝地，披头士乐队的第一部电影《一夜狂欢》、托尼·理查森的《汤姆·琼斯》和最新一集007电影《金手指》等都收获颇丰。更重要的是，作为将观众从电视机前拉回到电影院的竞争法宝，全景电影出现了意想不到的需求，米高梅投拍的斯坦利·克莱默的《疯狂的世界》已经为影院老板们找到了活路，他们追不及待地想看到下一部作品。这一切利好消息都是《2001年太空漫游》所具备的，也正是从这方面考虑，奥布里恩下定了决心。
1965年4月，米高梅决定投拍《2001年太空漫游》，最初片名为《冲破星际的旅行》。考虑到使用大量特技的缘故，该片的预算从开始的450万美元增加到了1050万，这意味着它的票房收入必须是投资的三到四倍之间才能为米高梅带来利润，所幸的是，它最终仅在美国本土市场就赚回了2150万美元，大大超过了米高梅的预期。
《2001年太空漫游》的成功并非偶然。由于正值冷战时期，苏美两国的太空竞赛导致航天技术日新月异。就在库布里克开始拍摄之际，月球1号成为了第一艘成功摆脱地球引力的运载火箭。1968年，该片的上映又赶上阿波罗8号将3名美国宇航员送人了月球轨道。全世界的人通过电视目睹了这一人类的壮举，而接下来他们还想看看太空里究竟会发生怎样的故事。
然而，《2001年太空漫游》从选演员的阶段就遇到了问题，几乎没有什么明星愿意出演这部影片，在他们看来，科幻片只有一个主角，那就是剧情。就连扮演宇航员之一戴维·鲍曼的凯尔·杜里也抱怨说他从一开始就没有什么戏可演，后来就更是毫无作为。英国演员罗伯特·肖最初为从库布里克那里得到一个角色欣喜若狂，直到发现他将扮演的是猿猴的头领，浑身粘满毛发，在银幕上根本看不清是谁演的。不过，加里·洛克伍德倒是很感谢库布里克选择他扮演另一位宇航员弗兰克·波尔，长期以来他一直为美国明星安东尼·柏金斯担任替身，最多也只演配角，但在这部电影里，他算得上是出镜时间最多的演员。
其他演员是库布里克从伦敦挑选的，包括改人英国国籍的美国人罗伯特·贝蒂和埃德·比肖普。威廉·西尔维斯特是寓居英国的加利福尼亚人，他扮演太空委员会的官员海伍德·弗洛伊德。值得一提的是弗洛伊德女儿的扮演者，她是库布里克5岁的女儿维维安。她通过可视电话向弗洛伊德要生日礼物的那场戏是在伦敦哈罗兹商场的玩具柜台前拍摄的。
更多的工夫下在寻找为哈尔9000配音的演员上。库布里克先找了英国演员尼格尔·达文波特，接着又想用美国明星马丁·巴尔萨姆。但这两人的发音都很有特点，极易被人听出来是谁在配音，库布里克更希望找到一个操着“宇宙化”腔调的配音，于是他雇用了加拿大纪录片解说员道格拉斯·瑞恩。瑞恩最初是准备来念克拉克计划为《2001年太空漫游》写的解说词的，但他超常冷静的语调和居于英美之间的发音最终被用于哈尔9000。
克拉克通过哈尔9000将他个人的一些趣事带进了电影。这台电脑是在伊利诺伊州的乌尔巴纳造出来的，因为克拉克大学时的一名教授后来成为了设在乌尔巴纳的伊利诺伊大学的系主任。之所以让哈尔90001]昌“黛西”，是因为克拉克在贝尔实验室的朋友们就曾教一台电脑唱这首歌。哈尔9000的英文原名是HAL，这三个字母都排在IBM每个字母的紧后面，不过，克拉克和库布里克一致否认他们为电脑起这个名字是为了戏弄IBM。
哈尔被描写成了世界上人工智能化程度最高的电脑，但直到影片结束，观众并不清楚它为什么要对抗人类。在1984年彼得·海姆斯拍摄的续集《2010年》中，同样作为编剧的克拉克解开了这一个谜，原来哈尔掌握了黑曜巨石的所有秘密，为了让秘密继续保持下去，它才会对波尔和鲍曼以及太空飞船上的其他宇航员起了杀心。
库布里克于1965年12月29日在伦敦近郊的波尔哈姆伍德片厂开始《2001年太空漫游》的拍摄。杰弗瑞·恩斯沃思出任摄影师，他在中途被助手约翰·阿尔考特取代。托尼·马斯特斯与厄尼·阿切尔共同负责布景设计。曾在《阿拉伯的劳伦斯》中为大卫·里恩当剪辑助手的雷伊·洛夫乔伊出任剪辑师，后来他还与库布里克合作了《闪灵》。
第一场戏拍的是弗洛伊德和其他科学家登陆月球的第谷对黑曜巨石进行考察。从这一刻开始，库布里克就不得根据拍摄的实际情况修改原先的故事。按照原来的设想，这块巨石在月球上已经从一个黑色的四面体变成了透明的立方体。但是，没有人能找到一块透明度如此之高的有机玻璃来代替巨石，于是库布里克只好用了一块黑色大理石板，在上面涂了一层石墨，造成了黝黝发光的效果。
“发现号”最初的目的地是木星，但美工师无法造出围绕木星的光环，于是木星变成了朱庇特星。太空飞船的外部构造也成了问题。按照常识，核动力装置与宇航员的生活空间应该离得越远越好，但这样设计又没有了飞船应有的外观效果。库布里克坚持一切要以科学为根据，最终美工师造出了一个看起来像火柴棍一样的“发现号”模型。模型的外部是用木材和聚苯板雕凿出来的，内部的构件则全部采用了“二战”时期德国战机使用过的塑料板材。