Zunächst verpflichtete Stanley Kubrick den Filmkomponisten Alex North, um sein Meisterwerk in vier Akten mit einem geeigneten Score zu unterlegen. Als Orientierung gab Kubrick ihm die präexistenten Platzhalterstücke von György Ligeti aus dem Rohschnitt an die Hand. North komponierte auch einen kompletten Score für den Film, musste aber bei der Premiere entsetzt feststellen, dass Kubrick die Stücke von Ligeti einfach beibehalten hat. Offensichtlich war Kubrick mit der Arbeit von North nicht zufrieden. Erst 1993 wurde dann auch der Score von North veröffentlicht, der viele Parallelen zu Ligetis Werken aufweist, ohne sie jedoch qualitativ zu erreichen. Die Musik von Ligeti wurde durch den Film über Nacht populärer, es kam aber dennoch zu Rechtsstreitigkeiten, weil Kubrick nicht einen Cent für die Verwendungsrechte an Ligeti zahlte. Das Prinzip auf Originalmusik zu verzichten und stattdessen klassische Stücke (wenn auch manchmal in verfremdeter Form) zu verwenden, wiederholte Kubrick drei Jahre später bei "A Clockwork Orange".
Im Gegensatz zu diesem Soundtrack beginnt der Film mit "Atmospheres" (1961) von Ligeti, das mit Einsetzen des Schwarzbildes am Anfang intoniert wird. Die Komposition wird später im dritten Akt von Kubrick ein weiteres Mal als Pause eingesetzt, weswegen das Stück auf diesem Soundtrack auch erst an sechster Stelle erklingt. Bei den einführenden Titeln ertönt dann Richard Strauss' "Also sprach Zarathustra" (1896). Die markante Ouvertüre des Stückes, bestehend aus einem Orgelpunkt und einer dreimal ansetzenden Bläserfanfare, ist die akustische Korrespondenz für das Erwachen der Menschheit, für die Morgendämmerung und den Beginn. Kubrick setzt das 18-minütige Stück als pathetische Untermalung der gigantischen Wüstentotalen im Film ein. Im Film selbst hört man in der Tonspur dazu Naturgeräusche, die Laute der Primaten und Steine, die auf Steine schlagen. Als schließlich der Monolith erscheint, setzt das "Requiem" von Ligeti ein.
Das psychedelische "Requiem" (1965) ist ein sehr nervöses und spannungsgeladenes Chorstück, das mit leisen Clustern eröffnet wird, die dann mit wachsendem Stimmvolumen und unterlegtem Kontrabass immer eindringlicher werden. Die experimentellen Cluster münden schließlich in ein Crescendo. Sopranisten und Tenöre rücken mit zunehmender Dauer immer mehr in den Vordergrund. Die Streicherdissonanzen verstärken sich. Als im Film ein Artefakt von einem Menschenaffen als Waffe und Werkzeug entdeckt wird, greift Kubrick zur hymnischen Untermalung des Beginns der eigentlichen Evolution des Menschen vom Primat zum Sternenkind noch einmal auf die Anfangstakte von "Also sprach Zarathustra" zurück. Der erste Akt des Films wird dann mit einem der genialsten Match Outs der Kinogeschichte geschlossen. Der in die Luft geworfene Knochen leitet über zu einem länglichen, knochenähnlichen Raumschiff im All.
Man könnte die Wahl für Johann Strauß' "An der schönen blauen Donau" (1867) als bewussten Gegensatz zwischen der Musik einer längst vergangenen Epoche und der futuristischen Technik interpretieren. Kubricks Motiv für den Einsatz des Wiener Walzers liegt allerdings in der Untermalung der im All schwebenden Raumstationen, die sich scheinbar federleicht wie ein Brautpaar beim Hochzeitswalzer um die eigene Achse drehen und tänzerisch mit den Shuttles interagieren. Die Musik korrespondiert perfekt mit den Bildern.
"Lux Aeterna" (1966) ist ebenfalls eine Komposition von Ligeti, die speziell für Chor und für Totenmessen verfasst wurde und im Film zur Einstimmung ins verfremdet Feierliche eingesetzt wird. Das Stück wird von Kubrick im zweiten Akt des Films verwendet, als die Gruppe sich zum Krater begibt und dann noch einmal im Schlussakt als hypnotische Klangkulisse für die surreale Vision vom Sturz zum Jupiter. Im Film wird dabei das Stück noch von extremen Tönen und dem Brummen und Scheppern der Rettungskapsel unterbrochen.
Die "Gayaneh-Ballet-Suite" (1942) von Chatschaturjan ist ein sehr melancholisches Stück, das mit einstimmigen Solostreichern die Einsamkeit der Wissenschaftler im All betont. Das Adagio unterlegt die ersten Bilder in der Forschungsstation und auch die erste Einstellung des roten Auges des Computer HAL 9000. Im Film wiederholt sich das Motiv immer wieder, wenn der Alltag der Forscher gezeigt wird.
Einer der wunderbarsten Soundeinfälle des Films ist leider auf diesem Soundtrack nicht zu hören. Nämlich als ein Forscher den gestörten Bordcomputer deaktiviert und HAL dabei in völligem Gegenkontrast zur ambitionierten Technik um ihn herum das Kinderlied "Daisy" anstimmt, das ja im Deutschen "Hänschen klein" heißt. Das ist so einer der prägnanten und sehr typischen Momente dieses schier unergründlichen und sehr abstrakten Films, der viel mit visuellen und akustischen Gegensätzen arbeitet, um motivisch das evolutorische Fortschreiten der Zeit herauszuschälen. Zu hören ist diese Passage auf der Gedenk-Neuauflage von 1996, die hier als UK-Import erhältlich ist und auf einer neuen Edition von Sony aus dem Jahr 2010. Die Tracklist des Soundtracks entspricht bei diesen Versionen dann auch der Abfolge im Film.
Der Soundtrack schließt genauso wie der Film mit den vertrauten und harmonischen Klängen von "Also sprach Zarathustra". Im Film sieht man dazu das Bild des Embryos als Analogie für die Wiedergeburt und den Neuanfang. Der Zyklus wird visuell und akustisch geschlossen.