Nove anni dopo la spedizione della missione spaziale americana del "Discovery" - il cui fallimento è avvolto nel più completo mistero - una missione di sovietici, comandati dal capitano Tanya Kirbuk, e di americani, capeggiati dal dottor Heywood Floyd, a suo tempo già direttore del progetto Discovery", a bordo della più aggiornata astronave sovietica, la "Leonov", si dirige verso il pianeta Giove alla ricerca della navicella scomparsa e di un misterioso monolite che dovrebbe racchiudere in sé molti dei misteri del cosmo. Rintracciato il "Discovery", uno degli scienziati americani riesce a riprogrammare HAL 9000, l'elaboratore elettronico di bordo, e si scopre così che la missione era fallita in quanto il computer stesso era andato in tilt quando, trovatosi di fronte al monolite - una entità vivente ed intelligente - si era creato un conflitto tra gli ordini (segreti) impartitigli dalla Terra e gli ordini di David Bowman, il comandante del "Discovery". Nel frattempo dalla Terra arriva un ordine: americani e sovietici si devono separare nello spazio in quanto Stati Uniti e Unione Sovietica sono sull'orlo di una guerra. Mentre gli americani tornano a bordo del "Discovery", David Bowman, il comandante della prima missione dato per scomparso, si rivela misteriosamente al dottor Floyd ingiungendogli di partire entro due giorni insieme ai sovietici perché un avvenimento straordinario sta per accadere. Quando, di comune accordo, americani e sovietici si stanno allontanando dal pianeta Giove, si verifica un'immane deflagrazione che manda in frantumi Giove, mentre Europa, uno dei satelliti dello stesso pianeta, si trasforma in uno sfolgorante nuovo sole per la Terra, cui è destinata la sibillina ed inquietante prescrizione: "Tutti questi mondi sono vostri, salvo Europa. Non tentate di accedervi. Traetene profitto insieme ed in pace".