《2001太空漫游》9年后，原美国国家航天委员会主任弗洛伊德博士接受了苏美合作计划，带领“发现”号空间站的设计者科诺博士和HAL9000计算机的创始人钱德拉博士在木星附近的苏联空间站着陆。他们与苏联宇航员卡普科等人合作，在空中与美国发现号空间站建立了联系。调查九年前发生的事故的原因，探索木卫二上神秘的黑色岩石，并找出宇航员大卫·伯曼神秘失踪的原因。然而，在任务进行到一半之前，美国和苏联之间的关系变得越来越紧张，战争一触即发。与此同时，大卫·伯曼突然出现，给弗洛伊德医生一个神秘的警告。