《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RoyScheider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JohnLithgow飾)和HAL9000電腦的創始人錢德拉博士(鮑勃?巴拉班BobBalaban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HelenMirren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KeirDullea飾)緣何神秘失蹤。然而任務執行尚未過半,美蘇關係愈發緊張,戰爭一觸即發;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。