Po wypadku na statku "Discovery" postanowiono zbadać jego okoliczności. W kierunku Jowisza zostaje wysłany sowiecki statek kosmiczny z załogą rosyjską i amerykańską. Po przybyciu na miejsce okazuje się, że komputer HAL 9000 jeszcze działa, a na Jowiszu pojawił się monolit, który znaleziono jedenaście lat wcześniej na Księżycu...

Doktora Heywooda Floyda (Roy Scheider), byłego przewodniczącego amerykańskiej komisji do spraw astronautyki, odwiedza radziecki emisariusz, Dimitri Moisevitch (Dana Elcar) z zaskakującą propozycją. Rosjanie są gotowi zabrać na pokład swojego statku kosmicznego "Leonow", udającego się na orbitę Jowisza, zespół amerykańskich naukowców. Przed dziewięciu laty doszło tam do katastrofy amerykańskiej misji kosmicznej "Discovery". Komandor Dave Bowman (Keir Dullea) zaginął, a inni członkowie wyprawy zginęli. Nikt nie wie, co było przyczyną tragedii. Przypuszcza się, że niepowodzenie misji może mieć związek z tajemniczym, czarnym monolitem, który znajduje się na tej orbicie.