Négy éven keresztül készítette a minden addigi konvenciót és technikai fogást felülmúló, máig a műfaj legnagyobb klasszikusának tartott 2001: Űrodüsszeia (1968) című filmet.
Kubrick első és egyetlen Oscar-díját a film vizuális effektjeiért kapta.
Állítólag a NASA megkereste a rendezőt 1968 elején, hogy „rendezze meg” a tervbe vett küldetéseket a Holdra. Hosszas egyeztetések után ráállt a dologra, és az Alabamában levő Huntsville városában le is forgatta az Apollo 11 és Apollo 12 expedícióját. Az elkészült filmeket le is vetítették a tévében, és a hiszékeny amerikaiak elhitték (a világ lakosságával egyetemben), hogy amit látnak, az a valóság. A következő, Apollo 13 küldetése előtt azonban kilépett a projektből – a legendák szerint azért, mert sikertelen küldetést szeretett volna…
