В основу фильма лёг рассказ Артура Ч. Кларка «Часовой», который был опубликован в 1951 году. Кларк разработал сценарий вместе с Стэнли Кубриком ещё до написания романа «2001: Космическая одиссея», вышедшего в свет сразу после фильма.

Известно, что во время съёмки фильма Кубрик консультировался со специалистами НАСА. А позднее в честь фильма НАСА назвало один свой космический зонд «2001 Mars Odyssey».

Для имитации лунной поверхности Кубрик импортировал, перемыл и перекрасил несколько тонн песка.

По словам Айзека Азимова, Кубрик хотел застраховаться на тот случай, если внеземная цивилизация будет открыта до премьеры фильма. Но крупная лондонская страховая компания «Lloyd's» ему отказала.

По словам Дугласа Трамбалла, отснятый для фильма материал почти в 200 раз превысил продолжительность вышедшей на экран ленты.

Один из научных консультантов фильма, Марвин Мински, чуть не погиб на съёмочной площадке от упавшего с декораций гаечного ключа.

Артур Ч. Кларк сказал после премьеры: «Если вы умудритесь полностью понять „Одиссею“, то для нас это провал, ведь мы пытались дать гораздо больше вопросов, чем ответов».

Изначально озвучивать «HAL 9000» планировалось женским голосом.

В некоторых сообщениях компьютеров можно заметить участки программного кода, написанного на Фортране.

В сцене выхода в открытый космос в качестве звуковой дорожки были использованы оригинальные записи дыхания космонавта Алексея Леонова, который первым в истории совершил выход в космическое пространство в 1965 году.

Фрэнк Миллер, который озвучивает управление полетами, был военнослужащим ВВС США в реальной жизни и контролировал реальные миссии. Его утвердили на эту роль, потому что его голос был самым подлинным, который кинематографисты смогли найти. Неопытный и нервный, он не мог удержаться от постукивания ногой во время записи сессии, и тогда неоднократно приезжавший на запись аудио треков, Стэнли Кубрик сложил полотенце, положил его под ноги Миллера, и сказал ему, что теперь можно стучать вволю.

Вращающуюся космическую станцию предложил специалист НАСА Вернер фон Браун.

Модель космической станции диаметром 2,4 метра была набита миниатюрными лампочками накаливания – в те времена еще не было оптоволокна или светодиодов. Часто приходилось прекращать съемку, потому что лампочки излучали столько тепла, что грозили расплавить пластмассовую конструкцию.

Посадочный модуль «Орион» достигал почти метра в диаметре и у него были выдвигающиеся ноги для съемки посадки. Для его создания специально ездили на завод Grumman, чтобы посмотреть, как у лунного модуля выставляется нога, а также на сопла, продувающие пыль на посадке. Всего над фильмом работало 103 конструктора, которые на самом деле были специалистами разных профессий: среди них были архитекторы, литографы, скульпторы, художники, сварщики и даже резчики по кости.

В своих исследованиях Кубрик натолкнулся на проект «Орион», проводимый Фриманом Дайсоном из Принстонского Института перспективных исследований. В этих работах предлагался концепт корабля на ядерном двигателе. Чуть позже эти исследования закрыли, но тогда Кубрика восхитила идея того, что бомбы могли бы двигать нас в космос. Он снова начал менять дизайн «Дискавери». Но потом здравый смысл восторжествовал: во-первых, упоминание о ядерных бомбах отсылало бы зрителя к фильму Кубрика «Доктор Стрейнджлав, или Как я научился не волноваться и полюбил атомную бомбу» (1963), во-вторых, корабль, который двигался бы прерывисто с помощью взрывов, смотрелся бы комично. Поэтому переделку корабля отменили. Но название «Орион» все равно осталось в фильме – так называется посадочный модуль.

В те времена еще не изобрели систему контроля движения, поэтому Кубрику пришлось изобретать ее прототип, и пользоваться технологией множественной экспозиции.

Чтобы показать космический корабль на фоне Луны с неким движением в его окне, фотографию корабля наклеили на стекло и установили перед камерой, сняв его на фоне хорошо освещенного белого фона. Так фотография корабля создавала маску для последующей печати в кадр двух различных изображений (маску всегда можно инвертировать, создав черный фон на месте белого). Изображение в рубке корабля было впечатано с помощью рир-проекции.

Звездное поле, которое мы видим за иллюминаторами «Ориона», летящего с Земли к орбитальной станции и «Овна», летящего от станции на Луну, было снято с помощью листа металла, покрашенного в черный цвет, в котором вручную были просверлены отверстия, представляющие звезды, если за листом металла поставить освещение. Двигая металлический лист, Кубрик имитировал движение этих космических аппаратов. Но вот проблема: все эти дырочки, которые выглядели замечательно на 35-миллиметровой пленке, оказывались слишком яркими для 70-миллиметровой. А если они отлично смотрелись на 70-миллиметровом кадре, то почти исчезали на 35-миллиметровом. В итоге звездное поле снимали на 65-миллиметровую пленку с помощью анимационных технологий. Там же, на мольберте для съемки анимации фотографировали Юпитер, Землю, Луну и все необходимые для фильма маски. Виды Луны – это реальные ее фотографии. За время работы над фильмом было предпринято три попытки создать модели Луны, и все они оказались неудачными.

В 2011 году компания Samsung в судебном разбирательстве с Apple апеллировала тем, что прообраз iPad можно увидеть в этом фильме.

Если заменить каждую букву HAL на следующую в английском алфавите, получится IBM.

После выхода фильма в 1968 году обнаружилось, что сочинения венгерского композитора Дьёрдя Лигети были использованы режиссером без разрешения, что послужило причиной длительного разбирательства между композитором, Стэнли Кубриком и компанией «Metro-Goldwyn-Mayer».

В 1991 году лента была включена в Национальный реестр фильмов США.

Вскоре после завершения съёмок фильма «Доктор Стрейнджлав, или Как я научился не волноваться и полюбил атомную бомбу» (1963) Кубрик заинтересовался вопросом жизни вне Земли и решил сделать «хороший пресловутый фильм о научной фантастике», начав поиск подходящего соавтора из научно-фантастического сообщества. Роджер Карас из Columbia Pictures посоветовал ему Артура Ч. Кларка в качестве партнёра. И хотя Кубрик был убеждён, что Кларк «отшельник, чудак, живущий на дереве», он всё-таки послал писателю телеграмму, на которую Кларк ответил своим согласием и «ужасной заинтересованностью» (как он сам выразился), а также, что не понимает, почему «Кубрик думает, что я отшельник?». Первая встреча Кубрика и Кларка состоялась 22 апреля 1964 года в Нью-Йорке.

На должность художника-постановщика Кубрик приглашал Осаму Тэдзуку, будучи впечатлённым его сериалом Астробой, но получил отказ.

Когда Стэнли Кубрик впервые встретился с Артуром Кларком, он хотел сделать фильм об отношении человека и Вселенной, а Кларк (как он сам выразился) был намерен «создать произведение искусства, которое вызовет удивление, трепет… и даже, если это уместно, ужас». Кларк предложил Кубрику шесть своих рассказов, и в мае Кубрик выбрал один из них — «Часовой» — как основу для будущего фильма. Чтобы собрать больше материала и расширить сюжет, он посвятил остаток 1964 года чтению научных трудов по антропологии, просмотру фантастических фильмов и сеансам мозговых штурмов. Кларк и Кубрик в течение двух лет трансформировали «Часового» в роман, а затем в сценарий для фильма.

Астроном Карл Саган пишет в своей книге, что Стэнли Кубрик обращался к нему с вопросом о внеземной жизни. Кубрик хотел привлечь актёров для изображения инопланетных гуманоидов, однако Саган был убеждён, что инопланетные формы жизни вряд ли имеют сходство с жизнью земной, и подобное изображение добавит элемент фальши в фильм. Саган предложил лишь обозначить существование внеземного разума, но не изображать его. Он присутствовал на премьере и был рад тому, что оказал некоторую помощь. Кубрик намекнул в фильме на существование невидимой инопланетной расы, предположив в интервью 1968 года, что, пройдя миллионы лет эволюции, эти гуманоиды инопланетной расы стали бессмертными машинами, а затем существами из «чистой энергии и духа».

Стэнли Кубрик был очень внимателен к деталям: для съёмок были сделаны инструкции по использованию различных узлов космических аппаратов.

В своём релизе, опубликованном 23 февраля 1965 года, Кубрик именовал будущий фильм как Путешествие по ту сторону звёзд. Кларк вспоминал: «Это было не позже одиннадцати месяцев как мы начали — апреля 1965 — Стэнли придумал название „2001: A Space Odyssey“. Насколько я помню, это была полностью его идея». Кубрика для названия вдохновил эпос Гомера «Одиссея»: «Это произошло для нас… то, что для греков были безбрежные моря, то для нашего поколения такая же тайна Космос».

Основные съёмки начались 29 декабря 1965 года в Shepperton Studios (Шеппертон, Англия). Студия была выбрана потому, что могла вместить яму размером 18×36×18 метров для съёмки сцены раскопок в кратере Тихо. В январе 1966 года производство было перемещено в британскую студию MGM, где велись натурные съёмки, а также создавались спецэффекты.

Съёмки с актёрами были завершены в сентябре 1967 года, а с июня 1966 по март 1968 года Кубрик был занят в основном разработкой 205 спецэффектов для фильма. Монтаж фильма был завершён Кубриком в марте 1968 года, незадолго до выхода фильма на экраны.

По словам Яна Харлана, во время работы над картиной Кубрик слушал Антона Брукнера, Яна Сибелиуса и Густава Холста.

Первоначально для написания музыки к фильму Кубрик обратился к композитору Алексу Норту, который уже делал это для «Спартака». Но в итоге режиссёр решил отказаться от этого саундтрека в пользу классики, о чём Норт узнал только после премьеры и был расстроен этим.

Вырезанные сцены «Космической Одиссеи» обычно делят на две категории: сцены, которые были удалены во время монтажа, и сцены, которые Кубрик удалил после премьерного показа.

Сцены, вырезанные при монтаже:

• Сцена, показывающая, как на Луне живут дети колонистов (сцена демонстрировала классную комнату, в которой проходит урок живописи; в детской массовке снялись обе дочери Кубрика);
• Хэйвуд Флойд покупает для своей дочери детёныша галаговых через видеофон в универмаге;
• 10-минутный чёрно-белый ролик, снятый в виде интервью с реальными учёными (в числе которых был физик-теоретик Фримен Дайсон), где они обсуждали внеземную жизнь. Кубрик удалил эту сцену ещё после самого первого пробного показа, устроенного для руководства «MGM».

Между фильмом Кубрика и книгой «Космическая одиссея 2001» Артура Ч. Кларка существует значимое отличие: в книге третий «монолит» находится не на орбите Юпитера, а на поверхности Япета, спутника Сатурна, куда и направляется экспедиция «Discovery». В своё время отличие было объяснено тем, что Кубрик не смог найти способ реалистично запечатлеть кольца Сатурна в фильме, используя доступную технологию тех времён, поэтому место действия сюжета было решено перенести на Юпитер.

Первое слово произносится лишь на 25-й минуте фильма.

Партия в шахматы, в которой астронавт проигрывает компьютеру, воспроизводит партию А. Реш — В. Шлаге, сыгранную на турнире в Гамбурге в 1910 году (первоначально считалось, что её придумал сам С. Кубрик, в юности игравший в шахматы на ставку).

Сцены, вырезанные уже после премьерного показа:

• В прологе «The Dawn of Man» было несколько дополнительных кадров, которые больше раскрывали изменения в поведении обезьян после воздействия на них Монолитом;
• Краткие кадры, показывающие бытовую повседневность на «Дискавери» (по времени большая часть из них должна была идти в самом начале сцены «Jupiter Mission», когда зрителю первый раз показывали Боумена и Пула);
• Боумен забирает запасную деталь для антенны из специальной ниши в восьмиугольном коридоре;
• Полёт Боумена к антенне из шаттла;
• Пул готовится сесть в шаттл и вылететь в космос (сцена визуально повторяла аналогичную сцену с Боуменом и была единственной самой длинной сценой, которая была удалена в этой редакции. Кубрик вырезал её по причине того, что один критик после премьерного показа сказал, что смерть Фрэнка Пула после этой сцены выглядит отвратительно);
• HAL отключает радиосвязь с шаттлом Пула, прежде чем его убить;
• Боумен, блуждая в инопланетной комнате в скафандре, находит комнатные туфли и тёмный халат, который позже наденет (из-за этой вырезки заметен монтажный ляп: Боумен идёт вглубь комнаты в противоположную от входа в ванную сторону, а в следующем кадре входит уже в саму ванную; когда он входит, туфлю можно увидеть на скамеечке возле кровати, а на самой кровати — халат, хотя в предыдущих кадрах их там не было);
• В большинстве прокатных фильмокопий этой редакции музыкальные композиции во вступлении, антракте и в финальных титрах были подсокращены, но в большинстве DVD-изданий эти фрагменты были восстановлены.