《2001太空漫游》后9年,前国家航天委员会主任弗洛伊德博士(罗伊•谢德RoyScheider饰)接受苏美合作计划,带领发现号航天站设计者科脑博士(约翰•利思戈JohnLithgow饰)和HAL9000电脑的创始人钱德拉博士(鲍勃•巴拉班BobBalaban饰)登录木星附近的苏联航空站,与苏联宇航员卡布珂(海伦•米伦HelenMirren饰)等合作,空中接轨美国发现号航天站,调查九年前的事故原因,探索木卫二的神秘黑石,并查明宇航员大卫•伯曼(凯尔•杜拉KeirDullea饰)缘何神秘失踪。然而任务执行尚未过半,美苏关系愈发紧张,战争一触即发;与此同时,大卫•伯曼竟突然现身对弗洛伊德博士发出神秘警告。