Kubrick avait réfléchi à l'idée de concevoir Docteur Folamour comme un documentaire réalisé par des extraterrestres. Cette idée, abandonnée pour Docteur Folamour, le poussa à s'essayer à un nouveau genre pour lui, la science-fiction. Il lut la nouvelle d'Arthur C. Clarke, La Sentinelle, et décida de rencontrer son auteur en 1964. Pour ce film, Kubrick réunit une imposante équipe technique : 25 spécialistes des effets spéciaux (dont Harry Lange et Frederick Ordway, tous deux issus de l'industrie spatiale), 35 décorateurs de plateau et 70 autres techniciens furent en effet employés pour le tournage. La salle de commande de Discovery nécessita un fort investissement financier car l'équipe du film dut construire une centrifugeuse gigantesque pesant près de 30 tonnes, d'un coût de 750 000 $. Le tournage commença le 29 décembre 1965 (par la scène de la découverte du monolithe dans le cratère Tycho) et se déroula sur 7 mois. La postproduction nécessita deux ans de travail supplémentaire. Alors que le budget initialement prévu était de 6 millions $, il dépassa les 10 millions $, ce qui s'explique, en partie, par l'utilisation d'effets spéciaux dans 205 plans du film. Le coût des effets spéciaux représentera au final 60% du budget total du film. Le directeur de la MGM, Robert O'Brien, prévoyait une sortie du film pour la fin de l'année 1966 ou au printemps 1967, mais l'avant-première n'eut lieu qu'en avril 1968 à New York.
Stanley Kubrick a progressivement élagué son projet de départ, la durée d'origine étant encore plus longue (158 minutes) que le final cut, (139 minutes) Son objectif initial[réf. souhaitée] était de produire le premier long-métrage de science-fiction doté de décors réalistes, qui ne soient pas décelables à l'écran, dont l'argument serait un scénario fondé sur des postulats et un futur proche et crédible, cautionné par des scientifiques.
Il s'entoura pour cela de conseillers irréprochables, tant dans le domaine des industries de pointe de l'époque (hibernation, « cerveaux électroniques », astronautique, etc.), de la paléontologie (l'aube de l'Humanité) que de l'hypothèse de l'intelligence extraterrestre. Une première version du film prévoyait ainsi un prologue quasi documentaire fait d'interviews de savants et de voix off explicatives : le mathématicien Jack Good, l'auteur de science fiction et scientifique Isaac Asimov évoquaient les futures bases lunaires, l'anthropologue Margaret Mead, les astronomes Fred Whipple et Sir Bernard Lovell insistaient sur la vraisemblance de la vie extra-solaire. D'autres parlaient des possibilités de manipulations génétiques ou du développement d'ordinateurs « intelligents » dotés d'une « personnalité artificielle ». Enfin le physicien Freeman Dyson envisageait l'exploitation des comètes. Ajoutant trop de temps à une durée déjà considérable, ces rushes ne furent pas utilisés pour le film.
Nombre des idées inédites du film, qui sont depuis devenues des poncifs, sont nées de la volonté de s'éloigner à tout prix de l'aspect « B » de la SF de l'époque et de ses conventions. Kubrick, ayant pris goût aux effets spéciaux avec Docteur Folamour (dont les scènes de vol de B52, en transparence, étaient supervisées, et moyennement réussies, par Wally Veevers), considérait que dans un tel projet, il n'avait pas droit à l'erreur. Connu comme cinéaste intellectuel de facture européenne, il redoutait de faire une série B de plus, avec des décors en carton-pâte et une anticipation peu crédible qui vieillirait mal.
Il fit donc appel à la crème des techniciens des effets spéciaux dont Douglas Trumbull, réalisateur en 1972, sur la notoriété acquise depuis, d'un film de SF, Silent Running. Diverses idées furent testées, certaines abandonnées, et parfois ces tâtonnements donnèrent les trouvailles les plus fameuses du film. Comme le proclame Hitchcock dans le livre de Truffaut, « il est indispensable d'éviter les clichés », ce que Kubrick applique à la lettre dans 2001.
Ainsi, la célèbre dalle noire qui est l'objet culte du film, transparente comme du cristal dans le roman de Clarke (qui peut-être pensait au « Cristal qui songe » de Theodore Sturgeon), ce à quoi il a fallu renoncer, l'objet étant invisible à l'écran. Le Beau Danube Bleu accompagnant les vaisseaux spatiaux en orbite circumterrestres, choix qui eût semblé le type de la fausse bonne idée, est adopté par Kubrick parce qu'un technicien avait mis le disque pendant que l'équipe visionnait les rushes en salle de montage : cette musique s'avère coller à merveille. Il en va de même pour les bruits oppressants de respiration et le silence de l'espace : simple conformité à la réalité des conditions du vide spatial. Cela n'avait jamais été fait avant, et ne fut jamais refait par la suite : dans presque tous les films « spatiaux », le grondement des moteurs résonne dans le vide de l'espace, ce qui est une aberration physique.
Kubrick et Clarke s'interrogèrent également sur l'opportunité de montrer ou non les extraterrestres. Des essais sont donc réalisés avec des danseurs, puis il est finalement décidé de ne rien montrer du tout. Kubrick évacue donc les aliens répugnants, reprenant un parti pris, par exemple, dans Planète interdite, où les mystérieux Krells restent invisibles, donc plus inquiétants. Mais Kubrick va plus loin. L'intervention des extra-terrestres n'est clairement révélée, comme information top-secret, qu'aux deux tiers du film.
Enfin Kubrick se demanda à quoi devait ressembler un futur ordinateur intelligent, autre personnage-clé du film, sans être ridicule. La SF de l'époque était en effet peuplée de robots ou de « cerveaux électroniques » plus ou moins machiavéliques, tous dotés d'une voix métallique, monocorde et inhumaine, tantôt assez réussie, comme par exemple dans Le Cerveau d'acier (Joseph Sargent, 1970) tantôt franchement comique avec les Daleks britanniques. Kubrick, lui, dote HAL 9000 du design plutôt rassurant d'un calculateur central tel qu'on en trouvait dans les banques et les compagnies d'assurance à l'époque, y ajoute des moniteurs vidéo où scintillent des graphiques de type « Excel » et surtout lui donne la voix d'un acteur canadien de théâtre, Douglas Rain, prenant complètement à contrepied les clichés de la science-fiction, avec le risque que cela ne « fasse pas » robot. Or, à l'époque, où la synthèse vocale n'existait pas, le surgissement soudain de cette voix british d'un pupitre de contrôle de type IBM 360 était saisissant.
Pour le scénario, Kubrick se met à la recherche du meilleur auteur de science-fiction de l'époque, le plus sérieux. Selon ce critère, c'eût pu être Asimov, scientifique en plus d'être romancier, ou Brian Aldiss qu'il a voulu utiliser plus tard pour AI, mais c'est un autre savant et auteur de SF qu'il choisit, Arthur C. Clarke.
Fruit d'une collaboration entre les deux, le scénario de 2001 est, curieusement, assez conventionnel : le postulat en est que les extraterrestres ont visité la Terre il y a quatre millions d'années, et qu'ils sont à l'origine, artificielle, de l'évolution du singe vers l'Homme. Ils ont laissé un émetteur sur la Lune et un relais en orbite autour de Jupiter. L'accès des Hommes à la science étant prouvé par l'aptitude de ceux-ci à atteindre la Lune, la « sentinelle » en informe le relais autour de Jupiter, à charge pour ce dernier d'informer les « Grands Anciens galactiques » du succès de l'opération.
Ce synopsis était dans l'air du temps : on trouvait alors dans la bibliothèque de tous les amateurs de fantastique les ouvrages d'auteurs comme Erich von Däniken (qui prétendait démontrer que les extraterrestres étaient « déjà venus » et étaient décrits dans la Bible, au livre d'Enoch), comme Jacques Bergier, (auteur du Matin des Magiciens , des Extra terrestres dans l'Histoire et premier traducteur de Lovecraft, père des « Grands Anciens ») ou comme Jean Sendy, promoteur d'une théorie selon laquelle la Genèse relaterait sous forme naïve la venue d'extraterrestres ayant façonné l'espèce humaine à leur image et laissé un "arc d'alliance" sur la Lune (La Lune, clé de la bible, 1968 ; Ces Dieux qui firent le ciel et la terre, 1969), scénario quasi identique à celui que développaient, peu avant lui, Kubrick et Clarke pour le script de 2001. De telles idées inspirèrent même à Hergé le scénario de Vol 714 pour Sydney (1967) où Tintin visite un temple millénaire bâti par les extra-terrestres sur un Îlot indonésien.
Par ailleurs, un optimisme sans faille entourait alors la conquête de l'espace (2001 sortira un an avant le débarquement sur la Lune). Les médias étaient peuplés d'engins spatiaux russes et américains, de vues d'artistes de futures bases lunaires et de photos de la Lune prises par les atterisseurs Surveyor et Rangers. Il suffit de citer quelques dates : 1963, Gordon Cooper passe les premières 24 heures dans l'espace ; 1964, premier équipage de trois astronautes à bord du vaisseau soviétique Voskhod 1 ; mars 1965, première sortie extravéhiculaire par le colonel Alekseï Leonov, premier rendez-vous spatial le 15 décembre entre les astronautes américains Frank Borman et Thomas Stafford, entre les capsules Gemini 6 et Gemini 7.
La Grande roue orbitale de 2001 et sa gravité artificielle, créé par la force centrifuge, est un concept envisagé par Wernher von Braun dans les années 1950 : « La station spatiale sera aussi un hôtel, les astronautes pourront y vivre un mois ou deux de suite. Ils feront la navette entre la Terre et la station pour effectuer des travaux spéciaux. » Quant à la mission « Explorateur 1 », elle s'apparente de près au projet «Orion» de 1958, qui prévoyait l'emploi de l'énergie nucléaire pour la propulsion et revendiquait « Saturne dès 1970. » Enfin le poste de commande de la navette emprunté par le savant Heywood Floyd ressemble bien plus au Concorde ou au X15 qu'à Challenger, et son poste de commande est une quasi copie de celui de la capsule Apollo.
Mais rien, malgré le talent de Clarke, ne garantissait qu'on s'éloignerait, avec un tel scénario, des sentiers balisés, fût-ce en égalant des réussites du genre comme Forbidden Planet ou Les Survivants de l'infini. Kubrick voulait mieux.
Ayant le contrôle artistique par la MGM, prenant un risque considérable, Kubrick décide d'aller plus loin en laissant le spectateur libre de se faire une idée du sens du film, le scénario n'étant plus qu'esquissé par vagues allusions. Il ne veut aucun synopsis apparent ou évident, et c'est pourquoi le film est une succession de scènes de facture très conventionnelle (conversations insipides entre savants russes et américains, conférence de presse d'un officiel usant de la pire langue de bois « pentagone », dialogue plats des astronautes Bowman et Poole) et de phases hallucinatoires proches du cinéma expérimental. Il court-circuite systématiquement tous les clichés et tics de la SF, toutes les conventions scéniques et supprime quasiment les dialogues. Arthur C. Clarke le dit très explicitement: « Si vous dites que vous avez compris 2001, c'est que nous avons échoué, car nous voulions que le film pose plus de questions qu'il ne donne de réponses. »
2001 veut susciter une angoisse métaphysique et cosmique. Le choix de la messe de Requiem (messe des morts) de György Ligeti, l'une des œuvres musicale majeures du XXe siècle, pour accompagner les scènes ou les mystères de l'univers enveloppent totalement l'action, et la religiosité trouble qui en résulte sont délibérés. Et de fait, les transpositions d'archétypes religieux ou métaphysiques abondent dans 2001 : naissance de l'humanité sous la tutelle d'une puissance transcendante (qui, comme dans la Genèse, donne lieu au premier meurtre), mort de l'entité consciente HAL 9000, métaphore de l'être face au néant, descente de « l'enfant des étoiles » auréolé vers la Terre... Le « voyage » de David Bowman dans le « tunnel » rappelle fortement les NDE de Raymond Moody, jusqu'à la scène finale dans cette suite d'hôtel totalement improbable, qui présente de nombreuses analogies, par l'évocation de la hantise et de la relativité du temps, avec Les Fraises sauvages (l'horloge sans aiguilles) pour ne donner que quelques pistes de réflexion sur un film sur lequel tout a été dit.
Il reste à ajouter qu'à sa sortie en 1968, avec l'arrivée du LSD et autres drogues hallucinogènes, les ouvrages de Carlos Castaneda, la bande dessinée (Philippe Druillet réutilisera l'œil rouge de HAL sous la forme d'un ordinateur féminin appelé Rose), le rock progressif, les hippies ou le cinéma expérimental, 2001, et ce malgré une critique catastrophique (il fut éreinté par Variety « Trucages habiles à la George Pal », par le New York Times « D'un ennui mortel », par la revue The New Leader « Une histoire de dieux sans queue ni tête »), il rencontra des circonstances presque idéales pour son succès retentissant.