Akcja toczy się, jak sugeruje tytuł, w roku 3001. Głównym bohaterem jest tutaj Frank Poole, astronauta zabity przez HALA 9000 podczas kosmicznego spaceru w [[Odyseja kosmiczna 2001 (film)|Odysei 2001]]. Zostaje on odnaleziony w Pasie Kuipera przez załogę kosmicznego holownika "Goliath" i dzięki technologi przełomu III i IV tysiąclecia przywrócony do życia. Następnie poznaje świat roku 3001 świat w którym możliwe jest bezpośrednie połączenie ludzkiego mózgu i komputera, ludzkość nauczyła się sterować bezwładnością ciał i wykorzystywać tę wiedzę do błyskawicznych podróży, a nad Ziemią górują trzy kosmiczne windy, w jednej z nich zamieszka Poole. Postanawia on rozwiązać zagadkę monolitów(do których doszedł odkrytodkryty w 26 stuleciu monolit "zerowy" , TMA0, który w [[Odyseja kosmiczna 2001 (film)|filmie]] umożliwił praludziom rozwój). W tym celu udaje się na księżyc dawnej planety Jowisz, a obecnie małej gwiazdy Lucyfera, Ganimedesa. Stamtąd wyrusza na Europę gdzie kontaktuje się z Halmanem, istotą złożoną z dawnych towarzyszy ze statku [[Discovery One|Discovery]] Davida Bowmana i HALA 9000. Dowiaduje się od nich że monolit jest tak naprawdę jednym wielkim komputerem zaprogramowanym przez wysoko rozwiniętą cywilizację w celu pełnienia pieczy nad rozwojem pośledniejszych cywilizacji. W międzyczasie okazuje się że monolit dostaje polecenie zniszczenia cywilizacji ludzkiej, jako zbyt agresywnej i niebezpiecznej, jaką się okazała tysiąc lat wcześniej w [[Odyseja kosmiczna 2001 |Odysejach 2001]] i [[Odyseja kosmiczna 2010|2010]]. Aby temu zapobiec Poole przy pomocy Halmana próbuje zainfekować monolit na Europie komputerowym wirusem.Próba okazuje się udana, gdy monolity zaczynają sie mnożyć by zasłonić ludzkości światło Słońca i w ten sposób skazać ją na zagładę, wszystkie w jednym momencie znikają. Osobowość Halmana zostaje zachowana na specjalnej petabajtowej kostce, niestety kostka zostaje również zainfekowana, i trafia do "Lochu", specjalnego magazynu na Księżycu w którym są przechowywane najbardziej niebezpieczne wytwory ludzkości.
