《2001太空漫遊》後9年，前國家航天委員會主任弗洛伊德博士（羅伊·謝德 Roy Scheider 飾）接受蘇美合作計劃，帶領發現號航天站設計者科腦博士（約翰·利思戈 John Lithgow 飾）和HAL9000電腦的創始人錢德拉博士（鮑勃·巴拉班 Bob Balaban 飾）登錄木星附近的蘇聯航空站，與蘇聯宇航員卡布珂（海倫·米倫 Helen Mirren 飾）等合作，空中接軌美國發現號航天站，調查九年前的事故原因，探索木衛二的神秘黑石，並查明宇航員大衛·伯曼（凱爾·杜拉 Keir Dullea 飾）緣何神秘失蹤。然而任務執行尚未過半，美蘇關系愈發緊張，戰爭壹觸即發；與此同時，大衛·伯曼竟突然現身對弗洛伊德博士發出神秘警告。