Artistiquement, "2001" a été un changement radical dans les films de science-fiction. Stanley Kubrick n’étant pas un partisan des films où les décors et les monstres sont en papier mâché ou en carton, il souhaite que les décors de son film soient techniquement réalisables dans le futur qu’il présente. C’est Tom Howard, lauréat de l’Oscar des meilleurs effets visuels en 1947 pour "L'esprit s'amuse" et en 1959 pour "Les Aventures de Tom Pouce", qui est chargé de concevoir la savane préhistorique. Wally Veevers conçoit les véhicules spatiaux et l'autocar lunaire. On construit également une centrifugeuse de . Pour les effets spéciaux, Kubrick s’entoure d’éminents collaborateurs, parmi lesquels Harry Lange, ancien conseiller de la NASA, et Marvin Minsky, directeur d’un laboratoire d’intelligence artificielle.