Космический корабль «Дискавери» отправляется в путешествие под руководством капитанов Дэйва Боумэна и Фрэнка Пула, а также их интеллектуального бортового компьютера HAL 9000. Их миссия - исследовать определенную область галактики и выяснить, почему инопланетные существа проявляют интерес к Земле. В процессе они сталкиваются с множеством неожиданных открытий.

История разворачивается спустя девять лет после событий предыдущего фильма. Космический корабль «Алексей Леонов», на борту которого находится смешанный советско-американский экипаж, отправляется к Юпитеру. Их цель — разгадать загадку, связанную с оставленным на орбите кораблем-первопроходцем «Дискавери».

Чтобы добиться своей цели, командир и его команда должны вновь активировать компьютер HAL-9000, который был одной из причин неудачи первой миссии.