Nueve años después de la desastrosa misión de la nave Discovery a Júpiter, una expedición conjunta de Estados Unidos y la Unión Soviética es enviada para investigar qué salió mal. Su objetivo es reactivar al superordenador HAL 9000 y descubrir qué sucedió con el astronauta David Bowman.
Mientras las tensiones políticas en la Tierra sitúan a ambas naciones al borde de una guerra nuclear, los astronautas en el espacio descubren que algo asombroso está ocurriendo en las lunas de Júpiter: el monolito está a punto de transformar el sistema solar para siempre.