早期设计：类人外星人
1964年4月，库布里克和《2001：太空漫游》的作者阿瑟·克拉克第一次会面。同年年末，导演成立制作团队，埋头于茫茫数百张图纸，摸索外星人的形态。1965年年末，安东尼·弗雷温加入团队，他主要通过研究德国艺术家马克斯·恩斯特的现代雕塑、油画，以及各种现代艺术，来寻找设计外星人的灵感。
在《2001：太空漫游》DVD的花絮中，我们可以看到电影的部分外星景观。下图比较了设计图与恩斯特的一幅名画。
不断更改的剧本是迫使库布里克尽早着手外星形象设计的另一个原因。电影制作期间，各种设计想法层出不穷。阿瑟·克拉克在日记中记录了这些思维的火花。
他在1964年10月6日的日记中写道：
这个想法至关重要：其他星系的“人”来自于十万年前的地球，外表应该和我们差不多。
电影最早的故事大纲由库布里克与克拉克共同创作0当时，发现外星生物是整个故事的高潮，而非开端。
在此之前，我们设计了一系列情节为探索太空做铺垫……1964年余下的时间里，我们集思广益，不断调整修改剧本。随着新想法层出不穷，故事情节慢慢发生了变化：和外星人碰面的情节从结局变成了开端。
既然碰面成了重点情节，且这次碰面发生在地球上，那么剧本就必须明确描述外星人的外貌。1965年的剧本草稿中，主要外星人甚至有了名字：柯林达（Clindar），直接取自克拉克的小说《黎明的遭遇》，该小说收录于选集《远征地球》中。
克拉克卖了一批小说的版权给库布里克，作为《2001：太空漫游》的基础，但《黎明的遭遇》没有包含在内。尽管如此，这本书仍为电影的第一部分提供了基本框架。书中的柯林达是个类人外星人，算是个人类学家，他教会地球上的猿人用骨头杀死鬣狗。显然，他的作用和最终成片中的黑色石碑是一样的：人类潜能的催化剂。
新元素：魔界使者
外星人的形象经过多次修改后，与类人外星人渐行渐远。1965年5月25日，克拉克在日记中写道：
斯坦利希望加入《童年的终结》中的魔鬼元素……
《童年的终结》是克拉克最杰出的作品之一，对《2001：太空漫游》产生了深远影响。书中揭示外星人外貌的片段被誉为科幻小说史上最震撼的外貌描写之一：他们长得像传统故事中的恶魔——有硕大的脚掌、坚韧的翅膀，头上有犄角，背后还有尾巴。库布里克之所以对这本书青睐有加，可能正是因为书中这段震撼人心的描写和它对受众可能产生的影响。
不过，魔鬼形象很快被否决了，后来的剧本草案也再没提到过。但在下列模型中，仍能看出它对电影中外星人形象设计的影响：
视效团队的努力
后来，类人外星人的设计也逐渐被其他设计概念取代。从随后的剧本草案中，可以看出作者们尝试了许多不同的设计方向。在《2001：失落的世界》里，克拉克曾谈到很多剧本把外星人描述成“拉长”的剪影。从《第三类接触》（史蒂芬·斯皮尔伯格执导，1977）开始，这种科幻老梗逐渐流行起来。
沃利·詹特曼曾担任《2001：太空漫游》的特效工作人员。在《魔影视效》杂志的采访中，他回顾道：
有一个场景是高大的虫型外星人上前抓住鲍曼的手。要达到这样的效果，我们可以用变形镜头将人物影像拉长。这种镜头可以把图像从一侧挤到另一侧，从顶部挤到底部，还可以调整挤压的比例。然后，在鲍曼面前放一面镜子，与地面呈45度角，将变形的图像投在镜子上。这样一来，外星人看起来就像站在鲍曼旁边。这种拍摄方法相当传统，可以追溯到舞台艺术。
制作团队试着实现这个设计，他们让演员穿上白色紧身衣扮演外星人，但效果“非常沉闷，难以让人信服”。
詹特曼还回忆道：
还有很多其他的外星概念，大部分是我离开后提出的。其中有一个满身灯泡的锥形外星人——身材高大，闪闪发光，看上去像棵圣诞树。库布里克让道格·特朗布尔负责这个东西，但道格对这整个想法都相当不屑。道格向来直言不讳，想到什么说什么。斯坦利刚开始对此非常恼火，不过后来他也渐渐习惯了。毕竟道格是从权威的角度来思考，他的专业能力非常出色，从概念设计到最终执行都无可挑剔。
特效监制道格拉斯·特朗布尔还补充说：
我们花了大把时间设计电影中的外星人形象。我用视频反馈技术做了好几个外星人特效。
在创造外星人时，我还利用了“光之城”的概念（原计划将这个特效用在穿越星际之门的镜头中，后来没有实施）。我把大小不一的万花筒投影机放在一起，铺满整个平面，然后把它们投影在白色卡纸上。这些光在立体空间中能产生明暗不一的效果，看上去隐约有点人形。通过改变万花筒的图案，比如从小直径突然变到大直径，我可以制造出头、肩、手臂、身体和腿的大概形状。但这些只是体积光，由于光是透明的，它们看上去有点像水母。这个设计确实不错，不过要让这个用光构成的角色移动或发声非常困难，程序非常复杂。
布赖恩·约翰逊是当时的特效助理，参与了许多外星人概念的设计，遗憾的是，这些设计从来没被采用。
斯坦利想要与众不同的设计，但他提不出具体要求。一次，他想尝试贾科梅蒂的雕塑风格——人形外表，但非常瘦、非常扭曲。我参与制作了一套灯光服，在黑色天鹅绒的衣服上装了5000枚迷你灯泡。当时的想法是让负责类人猿动作设计的舞蹈演员穿上这身衣服，再用装了星空滤镜的镜头和配套装置拍摄，直接用光线表现角色。通过对画面进行一定程度的变形和扭曲，我们就能得到一个飘浮在半空中的怪异生物。
最后的尝试：圆点人
1967年夏天，电影基本完成，但外星人形象设计却走入了绝境。化妆大师斯图尔特·福瑞博监督了后期的几次试验，他在《魔影视效》的采访中回忆道：
有一天，斯坦利走过来对我说：“我有个想法，不如试试光学错觉？”他不知从哪儿看到有人把圆点图案放在圆点背景前，结果图案几乎隐形了——虽然隐约还是能看见，但这只是因为它与背景处在不同的平面上。这个想法确实有趣，斯坦利让我沿着这个思路去尝试。我们找了个演员，给他做了顶白色秃帽——我在帽子上均匀地画上黑色圆点。演员身体的其他部分包裹着紧身衣，紧身衣上也画了同样的图案。我们找来了能找到的最大的打孔机，剪了很多黑色圆片，把圆片粘在白色的外衣上。演员全身都被我们贴满了，从头到脚，一点儿没落下。
我们让演员站在白色背景前，背景上事先画好了同样大小的圆点。整体效果非常惊人。站定时，演员与背景融为一体；移动时，你只能看出他的轮廓。这个效果确实足够怪异，但我认为它与电影并不契合。可惜，我再也看不到斯坦利运用这个效果了——当然，他生前也从没用过。
哑剧演员丹·里希特在电影中扮演“望月者”。在“人类的黎明”篇章中，他是猿人的领袖。丹在《望月者回忆录》中谈起了这次实验。他在1967年9月5日的日记中写道，拍摄完猿人场景后，库布里克要求他多留一会儿，用高对比度胶片尝试拍几个镜头。里希特在身上贴满“圆点”后，站上旋转平台，问库布里克：
“你要我怎么做，斯坦利？”
“嗯，丹，首先我希望你完全静止，等我给你指示再动，动作要非常缓慢、非常轻柔。”
“像这样？”我平举手臂，一边缓缓转头，一边缓缓做波浪状。
“非常好，丹，就是这样。”
我坐在平台上，面对镜头，腿舒服地盘着，手臂举到两侧。等斯坦利准备好，我闭上双眼，他们在我眼睑上也画上了波点。
“开始。”我保持静止。
“很好，丹，现在你可以动了。”
平台带着我慢慢旋转，同时我缓缓移动我的胳膊和头。我们尝试了许多方法，但就是不行。
第二天看样片，镜头虽然非常有趣，但明显看得出来画面里是一个满身波点的人。
这个效果不行，斯坦利再也没提过。
谁的神来之笔
据阿瑟·克拉克回忆，1965年库布里克曾在曼哈顿的家里开会讨论外星人设计。他向著名科学家卡尔·萨根寻求建议。萨根提议在电影中完全隐藏外星人形象。以下引用自克拉克的传记，三十年后，萨根这样描述当时的情节：
我觉得，在电影中出现外星人形象必定导致一场灾难。相反，我们应该暗示外星人的存在。在漫长的人类进化史中发生过太多不可思议的事情，像我们这样的生物不可能再出现在宇宙其他地方。而且任何对外星生物的描述必定包含虚假的成分，最好的办法就是暗示外星人的存在。
这是阿瑟评论萨根的原话：
三十年了，我不记得当初斯坦利对这个建议的第一反应是什么。但在接下来的几年中，他一直努力尝试设计新的外星人，以求角色真实可信，可惜屡战屡败，最终，他还是接受了卡尔的提议。
《只有我们吗？》曾采访安东尼·弗雷温（长期担任库布里克的助手）。他谈起了萨根和库布里克：
……传闻确实精彩，可惜事实并非如此。1965年下半年到1966年，斯坦利一直在探索外星人设计。在此期间，他的妻子克里斯蒂娜·库布里克负责设计草图，我负责研究贾科梅蒂的雕塑（库布里克对此非常着迷）、马克斯·恩斯特的绘画和各种通俗艺术，我们都在寻找合适的外星人形象。如果库布里克当时接受了萨根的建议，我们就不会费这些工夫。库布里克最后才意识到展现外星人形象是个错误的决定。
同年，弗雷温接受了另一个采访，内容主要关于《斯坦利·库布里克档案》一书的编写（这本书首次曝光了多幅外星人设计图）。在采访中，弗雷温对这个话题做了新的阐述：
外星人从来不可能出现在电影里。斯坦利考虑，仅仅是考虑过刻画外星人的形象。他不满意外星人的出场方式（电影拍摄于计算机生成影响技术出现之前）。另外，他认为从戏剧化的角度来讲，不直接展示外星人形象，影片效果会更好。于是，他最终放弃了展现外星人的念头。
当一切尘埃落定
1970年接受采访时，库布里克谈道：
在电影筹备初期，我们曾讨论，如何用外星人的形象体现其本身令人难以置信的特点。很快，我们发现无法想象的东西是最难想象的。你所能做的就是尽量通过艺术的手法表现它，传达它的部分特质。最终，我们决定用黑色石碑来表现。石碑的设计概念来源于心理学中的荣格原型理论，展现出了“极简艺术”的精髓。
库布里克的最终选择的确是神来之笔，在当代流行文化中，这块黑色石碑的象征意义独一无二。然而，现有证据表明，他一直努力尝试将外星人搬上荧幕，直到影片首映前几个月才不得不放弃。可以说，固执的库布里克为了不接受随卡尔·萨根的意见，一直奋斗到了最后一秒。
最后，我想用阿瑟·克拉克的话来结尾：
在我看来，我们的最终解决方案是唯一可行的方案。在最终决定以前，我们花了很多时间想象外星世界、城市和生物，寻找能震撼认知的设计。虽然所有想法最后都没被采纳，可我不认为之前的努力都是徒劳。被淘汰的种种方案都是我们努力的一部分，破而后立……我们就像雕塑家，在雕刻的过程中思考，直到接近石头中隐藏的形象。（《2001：失落的世界》）