《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。

22岁的印度青年Hassan Haji随家人搬到法国南部开了一家印度餐馆，很快便引起了街对面一家米其林星级餐厅的女大厨Mallory女士的注意，在她的帮助下Hassan最终成为了一名著名厨师。

在2001年，Dave Bowman带领的美国、苏联联合考察队登陆木星，去查明是否有什么强大的生物在木星上存在，因为新近在木星附近发现的一块神秘的黑色巨石令美国议员们忐忑不安。但考察队一去不复返，只留下Dave Bowman最后的惊呼：“上帝啊，这里全是星……”现在，2010年，十年前负责考察活动的Heywood Floyd博士再赴木星。他和全体队员的任务是，找到并修复当年考察队使用的HAL-9000电脑，以弄清十年前发生的事。