宇宙のランデヴー
西暦2130年、宇宙監視計画スペースガードが謎の物体を発見した。ラーマと名付けられた物体は当初小惑星だと思われていたが、宇宙探査機によって送られた映像に写っていたものは、円筒型をした疑いようもない人工の建造物だった。急遽、艦長ノートン中佐率いる宇宙船エンデヴァー号がラーマの探査へ派遣される。
以降、エンデヴァー号の調査隊によるラーマの探索が描かれていく。 ラーマの内部は空洞になっており、暗く静まり返っていた。探索を進め、彼らは内部を一巡りする環状の凍った海(円筒海)や、出入り口のない都市のような構造物を発見する。やがて、太陽に近づいて暖められたことで円筒海が溶け、さらに人工太陽によって明かりが灯される。生物ともロボットともつかない「バイオット」との遭遇や、独断でラーマに向けて発射されたミサイルといった危機を経て、更に太陽へ近づきつつあるラーマの最後の探検として、都市状構造物内部への侵入を試みる。そこで彼らは、ホログラムで記録されたラーマ人の工芸品カタログを発見する。
結局、エンデヴァー号は「ラーマ人」を発見することがないまま任務を終えた。ラーマは、なんらかのエラーから太陽に突入する軌道を取ったように思われたが、太陽に接近した上で恒星間飛行で失った物資を補給し、次なる地を目指して謎を残したまま太陽系を去っていった。ラーマの太陽系への接近は、計算された中継であったと、人類は理解した。
ラストシーンは、地球の科学者が感じた予感として「ラーマ人は何ごとも、三つ一組にしないと気がすまない。」という有名なフレーズで締めくくられる。