《2001太空漫游》后9年，前国家航天委员会主任弗洛伊德博士接受苏美合作计划，带领发现号航天站设计者科脑博士和HAL9000电脑的创始人钱德拉博士登陆木星附近的苏联航空站，与苏联宇航员卡布珂等合作，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。