Действие происходит спустя девять лет после событий предыдущей картины. Космический корабль «Алексей Леонов» с советско-американским экипажем на борту отправляется на Юпитер, чтобы разгадать тайну оставленного на орбите корабля-первопроходца «Дискавери».

Для этого командиру и членам звездного экипажа предстоит вновь активировать выведенный из строя компьютерный мозг HAL-9000, который явился одной из причин провала первой экспедиции.