Минуло дев'ять років після загибелі екіпажу «Дискавері» під час експедиції до Юпітера. На тлі загострення відносин між США та СРСР американські та радянські фахівці вирушають до планети на радянському кораблі «Леонов», щоб дослідити покинутий «Дискавері» та з’ясувати причини провалу попередньої місії. Разом із ними до Юпітера прибуває доктор Чандра, творець бортового комп’ютера HAL 9000, який має знову запустити систему. На місці екіпаж виявляє сліди минулих подій і знову стикається із загадковим монолітом, пов'язаним зі зникненням Девіда Боумена. Тим часом загострення політичного конфлікту на Землі ставить під загрозу безпеку космічної експедиції.